EMI电源滤波器的插入损耗分析

摘要：在一般EMI滤波器的共模和差模等效电路的基础上，分析了源阻抗和负载阻抗对滤波器插入损耗的影响。提出了共模插入损耗和差模插入损耗的计算方法，推导了滤波器插入损耗与阻抗关系的表达式，并且对这一关系作了仿真分析，仿真结果验证了理论计算和分析的正确性。
关键词：EMI滤波器；插入损耗；共模；差模

    随着电子设备的不断增多，电磁干扰(EMI)现象越来越严重。在传导干扰中，以电源线传导干扰最为严重。抑制电源线上干扰的主要途径是使用EMI滤波器，通常用插入损耗表征滤波器的特性。然而，在实际使用时，即使EMI滤波器的插入损耗设计达标，也有可能因为源阻抗和负载阻抗的变化而得不到最佳的滤波效果。
    本文针对EMI滤波器的共模和差模插入损耗进行计算分析，并研究滤波器源阻抗与负载阻抗的变化对滤波器性能的影响，通过仿真验证了方法的有效性。

1 EMl滤波器的插入损耗
    EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL(Insertion Loss)来衡量。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB表示，滤波器接入前、后的电路如图1所示。

    滤波器插入损耗的表达式为
   
    式(1)中，RS和RL分别表示源阻抗和负载阻抗；a11、a12、a21、a22表示滤波器网络的A参数。
    根据式(1)可推导出共模插入损耗的表达式为
   
    同理根据式(1)可推导出差模插入损耗的表达式为

2 源阻抗、负载阻抗对插入损耗的影响
    EMI电源滤波器在不同的源与负载阻抗的情况下，滤波性能有很大的差异。在一般的滤波器产品说明书中，提供的插入损耗值都是在源阻抗和负载阻抗均为50 Ω的情况下得到的。在实际使用中，滤波器的端阻抗随着工作环境的变化而变化，因而对滤波器插入损耗的影响也很大。   
    引用美国测量的源阻抗和负载阻抗的变化范围，在10 kHz～10 MHz(军标CE102规定的抑制频率范围)，源阻抗变化范围为0．1～178 Ω，负载阻抗变化范围为0．007～10 kΩ。
    (1)共模插入损耗的分析。
    对式(2)进行变换得
  
    显然，当f(RS，RL)取最小值时，ILCM达到最小值。式(6)中，当RL不变时，RS取最大值时，f(RS，RL)取最小值。
    如图2(a)所示，当负载阻抗RL不变时，源阻抗RS越大，共模插入损耗越小。当负载阻抗变大时，共模插入损耗随之变大。如图2(b)所示，当源阻抗RS不变时，负载阻抗RL越大，共模插入损耗越大。当源阻抗变大时，共模插入损耗逐渐减小。

以上结论可以总结为阻抗最大失配原则，即低源阻抗与高负载阻抗的条件下，失配程度越大，滤波器效果越好。若负载阻抗大于源阻抗，则式(4)可化简为
   
源阻抗在近似计算的过程中可以被忽略，而负载阻抗对共模插入损耗的影响程度是不同的。图3所示为源、负载阻抗分别为0．1／100 Ω、50／1M Ω时插入损耗的比较情况。可以看出，高频段中负载变化对插损影响并不大，50／1M Ω虽然属于阻抗严重失配的情况，但是源阻抗不趋近于零，而只是小于负载阻抗而已。由式(7)分析可知，在源阻抗小于负载阻抗的条件下，忽略源阻抗的影响，负载阻抗对插损的影响成反比，即负载阻抗越大，共模插人损耗越小；反之，则越大。
   

     如图4所示，RLo的取值随着频率的增加而减小，当RLRLo时，共模插损逐渐增大。

(2)差模插入损耗的分析。
    由式(3)可知，令

    由式(8)中可以看出，当RS和RL同时增大时，g(RS，RL)也随之增大。如图5所示，同时增大源、负载阻抗，差模插入损耗逐渐增大。

    若阻抗失配的条件下，即源阻抗小于负载阻抗，式(8)可化简为
   
    负载阻抗在近似计算中可以被忽略，而源阻抗对差模插入损耗的影响是不同的。图6所示为源、负载阻抗分别为0．1／100Ω、50／1MΩ、100／1MΩ时，差模插入损耗的比较隋况。由式(7)分析可知，在源阻抗小于负载阻抗的条件下，忽略负载阻抗的影响，源阻抗对插损的影响成正比，即源阻抗越大，插损越大；反之，则越小。

3 结束语
    通过对EMI滤波器共模和差模等效电路进行分析，推导出共模、差模插入损耗的计算表达式，并且分别对不同源、负载阻抗对共模、差模插入损耗的影响做了分析，得出如下结论：
    (1)对共模插损来说，在低源阻抗／高负载阻抗的条件下，失配程度越大，共模插损越高，滤波器性能越好。当源阻抗小于负载阻抗时，忽略源阻抗的影响，负载阻抗对插损的作用成反比，即负载阻抗越大，共模插入损耗越小；反之，则越大。
    (2)对差模插耗来说，在高源阻抗／高负载阻抗的条件下，差模插入损耗越高。当源阻抗小于负载阻抗时，源阻抗对差模插入损耗的作用成正比，即源阻抗越大，插损越大；反之，则越小。
    (3)RLo的取值随着频率的增加而减小，当RLRLo时，共模插损逐渐增大。