CN101409137A - 平面emi滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种用在电源和电子产品之间的EMI滤波器，其由至少一个平面元件以及平面电容器形成，所书平面元件包括一对相对的无芯螺旋平面绕组。这使得能将共模和差模滤波器集成为集成的平面结构。而且，平面EMI滤波器可以与有源滤波器元件组合以提供包括无源元件和有源元件的具有优良性能的混合EMI滤波器。

Description

平面EMI滤波器
技术领域
本发明涉及平面EMI滤波器，尤其涉及适合于与超高频功率转换器一起使用的这种滤波器。
背景技术
EMI滤波器通常设有电气和电子设备以确保不允许任何由该设备产生的电磁噪声回传到主电源中。通常将这种滤波器划分为在带电线和中性线(live and neutral lines)中包括电感元件的差模(DM)滤波器，或在带电线和中性线与地之间包括电容元件的共模(CM)滤波器。
传统上，通过常规电路元件来构造EMI滤波器，所述常规电路元件具体包括设置在电路板上的分立的电容和电感元件。然而，随着电子元件的日益小型化，这种EMI滤波器相对于被滤波的相关电路和元件而言变得过大。因此，需要更为紧凑的EMI滤波器设计，并且特别需要能够和电子设备中的其它电子元件集成的EMI滤波器。
无芯平面螺旋绕组(CPSW)在本领域中是公知的，其可用在无芯变压器中。CPSW可以以多种方式形成，例如通过将导电迹线沉积在印刷电路板上形成，并且当在无芯变压器中用于信号和/或功率传递时，初级和次级绕组可在适当的电介质基板的相对侧上形成为CPSW。除了在无芯变压器中用于功率和信号传递以外，还提出在借助于铁氧体材料的情况下将这种平面螺旋绕组用在集成EMI滤波器中。还提出了耦合无芯平面螺旋绕组以消除传统EMI滤波器中的电容器寄生电感。还知道在差模EMI滤波器中将CPSW用作电感元件，但是这些现有的提议始终继续使用妨碍EMI滤波器结构完全集成的分立的三维电容器。
发明内容
根据本发明，提供一种用在电源和电子产品之间的EMI滤波器，其中EMI滤波器包括至少一个平面元件以及平面电容器，所述平面元件包括一对相对的无芯螺旋平面绕组。
优选地，将平面绕组形成在基板例如印刷电路板的相对侧上。
平面电容器可以包括至少两个由电介质材料隔开的平行导电板。
优选地，该滤波器是组合的传导模式滤波器和差模滤波器。
在这样的一个实施例中，传导模式滤波器可以包括第一平面元件，并且差模滤波器可以包括两个对称设置在电源和产品之间的相位线和中性线中的平面元件。
有许多可行的配置用于这种组合的共模和差模滤波器。
例如，在一些实施例中，将共模滤波器设置成邻近电源，而将差模滤波器设置成邻近产品。在这些实施例中，可以将平面电容器设置在共模滤波器和差模滤波器之间，或设置在差模滤波器和产品之间，或设置在电源和共模滤波器之间。
或者，可以将差模滤波器设置成邻近电源，而将共模滤波器设置成邻近产品。在这些实施例中，可以将平面电容器设置在电源和差模滤波器之间，或设置在差模滤波器和共模滤波器之间，或设置在共模滤波器和产品之间。
根据本发明的一个实施例，形成平面绕组使得每个螺旋绕组的交替线圈形成在基板的相对侧上并通过通孔将其电互连，从而使基板的每一侧形成有属于各自螺旋绕组的交替线圈。
此外，优选地，本发明的实施例的平面EMI滤波器可以与设置在滤波器的中间级、末级、或者中间级和末级的有源滤波器元件组合。
因此，根据本发明的另一个方面，提供一种EMI滤波器，其包括无源滤波器和有源滤波器，其中所述无源滤波器包括至少一个平面元件以及平面电容器，所述平面元件包括一对相对的无芯螺旋平面绕组。
附图说明
将通过举例的方式并参照附图对本发明的一些实施例进行说明，其中：
图1示意性地示出两个无芯平面螺旋绕组以及它们的等效电路，
图2示意性地示出EMI滤波器的作用，
图3a和图3b示出无芯平面螺旋绕组用作直接模式滤波器的两个例子，
图4示出可以在本发明的实施例中使用的平面电容器的例子，
图5示出根据本发明的实施例的共模滤波器的例子，
图6示出常规的组合的CM和DM EMI滤波器，
图7示出根据本发明的实施例的组合的CM和DM EMI滤波器，
图8示出根据本发明的另一实施例的组合的CM和DM EMI滤波器，
图9示出根据本发明的另一实施例的组合的CM和DM EMI滤波器，
图10示出根据本发明的另一实施例的组合的CM和DM EMI滤波器，
图11示出根据本发明的另一实施例的组合的CM和DM EMI滤波器，
图12示出根据本发明的另一实施例的组合的CM和DM EMI滤波器，
图13示出在本发明的实施例中使用的交替叠置的绕组结构，
图14(a)和图14(b)示出可以与根据本发明的其它实施例的平面EMI滤波器组合的有源滤波器的例子，
图15示意性地示出包括根据本发明的实施例的无源和有源元件的混合EMI滤波器，
图16示出对于不同的混合滤波器配置所仿真的共模插入损耗，
图17示出对于不同的混合滤波器配置所测量的共模传输增益，
图18示出在完全EMI噪声仿真中使用的电路示意图，以及
图19(a)到图19(c)示出对于不同的滤波器配置所仿真的EMI噪声。
具体实施方式
图1示出两个常规的螺旋绕组。所述绕组的尺寸和匝数可以根据所需的应用场合而改变。可以利用印刷电路板(PCB)或诸如半导体材料的其它基板来构造所述绕组。对于在PCB中的构造而言，所述绕组可以形成在例如0.4mm厚的PCB基板的相对侧上，并且可以形成无芯变压器的初级线圈和次级线圈，正如本领域所公知的那样。为便于描述，在整个申请文件中，可以将顶部线圈的末端标识为A和C，而可以将底部线圈的相应末端标识为B和D。如图1所示，当放置在基板的相对侧上时，这两个平面螺旋绕组在电气上可以表示为其间具有电容性元件的两个电感。
图2示出EMI滤波器功能的简单方框图。EMI滤波器的功能在于阻挡共模中的传导发射电流(IC)和差模中的传导发射电流(ID)和/或使其转向，从而使它们不进入电源。
图3a示出了如何将形成在基板的相对侧上的两个平面螺旋绕组用作加在相位线上的DM滤波器。使用图1的命名法，来自电源的相位线连接到A，并且从滤波器到设备的相位线从C引出。点B连接到地。图3b示出了如何能够将同样的绕组用作加在中性线上的DM滤波器。在这个例子中，点A单独连接到相位线，而来自电源的中性线连接到点B，并且中性线从点D通到设备。
本发明的一个重要方面，至少在优选的实施例中，是平面CM和DM滤波器元件与平面电容性元件的集成，从而使整个滤波器结构能够更容易地集成在其自身的设计中并且还可以与其它电路元件集成。在本发明的该相关的实施例中可以利用一个或多个平面电容器，所述平面电容器的一个例子显示在图4中。如图4所示，该平面电容器可以包括采用夹心状结构并由电介质层分隔的三个平面铜层。可以将三个铜层分别连接到相位线、接地线和中性线，如在任意特定的电路图中所要求的那样。仅仅为了示例，对于铜层而言典型的尺寸可以为40mm×40mm×0.07mm，并且对于交织的电介质层而言厚度为0.36mm。电介质材料可以为简单的PCB基板，或者如果需要更高的电容，则可以是具有更高的介电常数的材料。
图5示出了如何与平面螺旋绕组结构一起使用平面电容器1以形成共模滤波器。平面螺旋绕组连接在电源与产品之间的相位线和中性线中，来自电源的相位线连接到A并且相位线从C延伸到产品。类似地，来自电源的中性线连接到B并且中性线从D延续到产品。如图4所示构造的平面电容器1连接在螺旋绕组和产品之间，电容器1的中性层、相位层和接地层分别连接到中性线、相位线和接地线。
上面的例子分别示出了DM和CM滤波器，但是优选地，可以将它们组合在单个EMI滤波器中。图6示出了在常规的EMI滤波器中如何做到这一点。如图6所示，常规的组合滤波器一般包括CM扼流圈以及CM电容器和DM电容器。这种常规设计可以看作是在CM滤波器中加入了DM电容器，但是当在DM滤波器中使用CM扼流圈时，由于磁通量消除(fluxcancellation)而使得对于滤波仅有非常小的漏电感保持有效，因此需要大电容器CD以达到所需的滤波效果。在如图4所示的平面电容器结构中提供这种大电容需要不受欢迎的大面积，或者需要具有高介电常数的电介质材料。
图7示出了使用平面螺旋绕组和平面电容器的组合的CM和DM滤波器，其减轻了这一问题。在该实施例中，两个DM滤波器2、3分别具有图3a和图3b所示的形式，并且滤波器2加到相位线而滤波器3加到中性线。这两个DM滤波器在保持滤波器电路对称的同时提供DM EMI滤波。通过CM滤波器4来提供CM滤波，所述CM滤波器4具有图5所示的形式，其包括平面电容器5。可以注意到，处在相位线中的CM滤波器中的终端C连接到两个DM滤波器中的终端A，而处在中性线中的CM滤波器中的终端D连接到DM滤波器中的终端B。该电路设计的一个优点在于CM滤波器中的电容性元件-平面电容器和螺旋绕组中的分布电容-都对总体DM滤波做出了贡献。
在从电源到产品的方向看，可以认为图7的组合滤波器具有CM扼流圈+C+DM滤波器的结构。图8示出了图7的实施例的改进，其中平面电容器5未设置在CM和DM螺旋绕组之间，而是设置在DM滤波器和电气产品之间。因此，该结构是CM扼流圈+DM滤波器+C。另一种可行的顺序是如图9所示的C+CM扼流圈+DM滤波器，其中平面电容器位于电源和CM扼流圈之间。
DM滤波器位于电源侧且CM扼流圈位于产品侧也是可行的。这种可行性显示在图10到图12的实施例中，图10到图12的不同之处在于平面电容器的位置。图10具有C+DM滤波器+CM扼流圈的结构，其中平面电容器位于电源和DM滤波器之间。在图11中，平面电容器位于DM滤波器与CM扼流圈之间，即DM滤波器+C+CM扼流圈，而最后在图12中，平面电容器位于CM扼流圈和产品之间，即结构为DM滤波器+CM扼流圈+C。
应该注意，叠置的螺旋绕组结构可以用于平面绕组，其中绕组结构包括交替位于基板的两侧上的线匝，如图13所示。在这种结构中，第一绕组从螺旋的中心开始，并且在第一圈之后，绕组通过通孔穿过基板，使得第二圈相对于第一圈位于基板的相对侧上。在第二圈之后，绕组通过另一通孔返回到基板的第一侧，这样绕组在基板的两侧之间交替。相对于第一绕组第二绕组在基板的相对侧上开始，并且与第一绕组一样，交替地从基板的一侧到基板的另一侧。该结构的优点在于它极大地减少了电感器的寄生电容，从而能够显著地增加带宽。这种结构在工作在兆赫开关频率范围内的功率转换器中特别有用。
本发明的实施例的平面EMI滤波器也可有利地与有源滤波器结合使用，以便在非常宽的带宽上提供有效的噪声抑制。已经提出了四种基本类型的有源EMI滤波器(Thomas Farkas和Martin F.Schlecht，“Viability ofActive EMI Filters for Utility Applications”，IEEE Transactions on PowerElectronics，第9卷，第3期，1994年5月，第328到336页；David C.Hamili，“An Efficient Active Ripple Filter for Use in DC-DC Conversion”，IEEETransactions on Aerospace and Electronic Systems，第32卷，第3期，1996年7月，第1077到1084页；N.K.Poon，J.C.P.Liu，C.K.Tse和M.H.Pong，“Techniques for Input Ripple Current Cancellation：Classification andImplementation”，IEEE Transactions on Power Electronics，第15卷，第6期，2000年11月，第1144到1152页)并且在下面的实施例中，采用电压前馈检测和有源耦合的有源滤波器形式的有源滤波器被使用。在该实施例中，有源滤波器包括运算放大器和连接在运算放大器的输入端和输出端处的两个并联电容器Cf和Co，如图14(a)所示。为了简化以下的讨论，如图14(b)所示，将有源滤波器视为具有终端F和G的构件模块，其中端口G总是连接到地。
图15是示出如何构造混合无源和有源集成EMI滤波器的示意图。在图15中，标为“P”的模块包括根据本发明的实施例的平面EMI滤波器，而标为“Q”的模块包括图14(b)所示的有源滤波器模块。图15示出了有源元件的几个可能的位置，所述有源元件可位于平面EMI滤波器的中间级、末级、或者中间级和末级。有源滤波器的不同位置将产生不同的EMI滤波器的配置，如下表所示：
Figure A20081014464600091
Figure A20081014464600101
可以通过观测诸如插入损耗和所测量的传输增益的性能特性来考虑这种混合EMI滤波器的性能。图16示出了(如在上表中所定义的)EMI滤波器I到EMI滤波器V的共模插入损耗性能的仿真结果。这些结果表明简单的基于CPSW的无源滤波器(滤波器I)超过10MHz可以具有高插入损耗能力。1级有源滤波器(滤波器II)在相对低的频率范围(从kHz到10MHz)内具有高插入损耗，但是超过10MHz其的插入损耗小于滤波器I的插入损耗。对于三个混合集成滤波器，有源模块的存在可以在低端频率区域(小于MHz)显著提高基于CPSW的滤波器的插入损耗，从而滤波器III到V可以在宽的带宽范围内实现良好的插入损耗以减少EMI。
已经获得了对于不同滤波器配置的共模传输增益的测量结果并将其绘制在图17中。利用阻抗/增益-相位分析器HP 4194A来获得所述结果。图17中的共模曲线示出了基于CPSW的滤波器可以在超过10MHz区域的高频范围内衰减噪声。该有源滤波器在5MHz以下提供了良好的噪声抑制，但是它没有在高频范围内有所改进。然而，通过组合使用有源滤波器和基于CPSW的滤波器，所述三个混合滤波器具有有源和无源滤波器的优点。它们在低频和高达30MHz的高频范围内提供了良好的噪声衰减。
也可以将在上面的表中所考虑的不同滤波器配置放到EMI仿真模型中，该EMI仿真模型对运行在1MHz下的20W转换器进行仿真，该转换器具有由流过输入大容量电容器(bulk capacitor)的等效串联电阻(ESR)的输入电流源产生的差模噪声。共模噪声的产生更为复杂并基于由于电容和电感耦合的非接触耦合路径的原理。将非接触耦合用于共模噪声会使得模型更为切合实际。图18示出了逐一对不同滤波器类型(滤波器I到滤波器V)进行仿真的完整仿真示意图。图19(a)、图19(b)和图19(c)示出了仿真结果，其中图19(a)示出了对于“无滤波器”(图中最上面的曲线)、“滤波器I”(中间曲线)和“滤波器III”(图中最下面的曲线)的仿真噪声(150kHz-30MHz)，图19(b)示出了对于“滤波器II”(最上面的曲线)、“滤波器IV”(中间曲线)和“滤波器V”(最下面的曲线)的仿真EMI噪声(150kHz-30MHz)，以及图19(c)示出了对于“无滤波器”(上面的曲线)和“滤波器V”(下面的曲线)的仿真EMI噪声(150kHz-30MHz)。
对于滤波器I(基于CPSW的滤波器)，噪声电平在频谱的低端已经超过了CISPR B类限制(CISPR Class B limit)。然而，利用仅仅几微亨的滤波器电感，在频谱的高端已获得了良好的滤波能力。滤波器III(CPSW无源+中间级有源)和滤波器IV(CPSW无源+末级有源)显示了可比较的结果，其进一步将滤波器I的噪声电平减少了20到40dBμV。这两种类型的滤波器配置仍然不能通过CISPR B类限制。这可以通过以下事实加以解释：一些非接触耦合路径绕过了输入EMI滤波器。尽管滤波器是混合配置的，但共模噪声仍是主要的并且不能被消除。滤波器V(CPSW无源+两级有源)具有最好的滤波性能，将噪声电平减少了20到60dBμV，并且在整个频率范围内通过了CISPR B类限制线。应该注意，在输入端加入一个多级有源滤波器可以有效地抑制由于接触或非接触耦合路径而造成的来自转换器的共模噪声。
从上面的例子可以看出，尽管CPSW的电感仅有几微亨，但已足以在中频和高频范围内执行无源滤波功能。还可以看出，有源滤波器的加入在相对低的频率范围内提供了良好的噪声衰减，同时基于CPSW的无源滤波器可以阻止高频噪声。混合EMI滤波器的原理结合了有源和无源滤波器的优点，并因此在宽的频率范围内提供了良好的滤波效果。在20W转换器的仿真中，基于CPSW的无源滤波器不能单独通过CISPR 22B类限制线，但是通过加入1级有源滤波器(末级或中间级)，滤波性能可以将噪声电平减少几十dBμV，而将2级有源滤波加到基于CPSW的滤波器上可以实现最好的性能，并且整个系统能够通过EMC限制线。总之，所提出的混合EMI滤波器在非常宽(30MHz)的带宽上提供了有效的滤波功能。这种混合滤波器将为未来在兆赫水平以上转换的功率转换器提供有效的EMI滤波方案。

Claims (19)

1、一种用在电源和电子产品之间的EMI滤波器，所述EMI滤波器包括至少一个平面元件以及平面电容器，所述平面元件包括一对相对的无芯螺旋平面绕组。
2、如权利要求1所述的滤波器，其中所述平面绕组形成在基板的相对侧上。
3、如权利要求2所述的滤波器，其中所述基板是印刷电路板。
4、如权利要求1所述的滤波器，其中所述平面电容器包括至少两个由电介质材料隔开的平行导电板。
5、如权利要求1所述的滤波器，其中所述滤波器是组合的传导模式滤波器和差模滤波器。
6、如权利要求1所述的滤波器，其中所述传导模式滤波器包括第一所述平面元件，并且其中所述差模滤波器包括两个对称设置在所述电源和所述产品之间的相位线和中性线中的所述平面元件。
7、如权利要求6所述的滤波器，其中将所述共模滤波器设置成邻近所述电源而将所述差模滤波器设置成邻近所述产品。
8、如权利要求7所述的滤波器，其中将所述平面电容器设置在所述共模滤波器和所述差模滤波器之间。
9、如权利要求7所述的滤波器，其中将所述平面电容器设置在所述差模滤波器和所述产品之间。
10、如权利要求7所述的滤波器，其中将所述平面电容器设置在所述电源和所述共模滤波器之间。
11、如权利要求6所述的滤波器，其中将所述差模滤波器设置成邻近所述电源而将所述共模滤波器设置成邻近所述产品。
12、如权利要求11所述的滤波器，其中将所述平面电容器设置在所述电源和所述差模滤波器之间。
13、如权利要求11所述的滤波器，其中将所述平面电容器设置在所述差模滤波器和所述共模滤波器之间。
14、如权利要求11所述的滤波器，其中将所述平面电容器设置在所述共模滤波器和所述产品之间。
15、如权利要求1所述的滤波器，其中形成所述平面绕组使得每个所述螺旋绕组的交替线圈形成在基板的相对侧上并且通过通孔而电互连，从而所述基板的每一所述侧形成有属于所述各自螺旋绕组的交替线圈。
16、如权利要求1所述的滤波器，还包括有源滤波器元件。
17、如权利要求16所述的滤波器，其中将所述有源滤波器设置在所述滤波器的中间级、末级、或者中间级和末级。
18、一种EMI滤波器，包括无源滤波器和有源滤波器，其中所述无源滤波器包括至少一个平面元件以及平面电容器，所述平面元件包括一对相对的无芯螺旋平面绕组。
19、如权利要求18所述的滤波器，其中将所述有源滤波器设置在所述滤波器的中间级、末级、或者中间级和末级。
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