PCB 导线分裂技术在平面EMI 滤波器中的应用
1. 引言1
电磁干扰(EMC)正日益成为困扰开关电源发展的严重问题，并严重影响电网及邻近设备的正常运行[1]。采用EMI 滤波器是抑制传导电磁干扰的有效方法。典型EMI 滤波器工作原理如图1——VAC 通常代表电网或前级电气设备，LISN 为EMI 测试采用的线路阻抗稳定网络，EUT 为待测设备，在电力电子领域内其通常为开关电源。
图1 EMI 滤波器工作示意
EMI 滤波器一般采用无源结构，以电感、电容为基本组成单元。由于传统的EMI 滤波器的电感和电容采用分立元件，占据了电力电子设备的较大体积，已不符合开关电源小型化、集成化的发展趋势。如何压缩体积，并更加有效阻断EMI 路径，成为发展新型EMI 滤波器的重要方向之一。目前，较具有代表性的发展方向是由CPES 较早提出的磁集成方法[2]。此方法在不改变传统EMI 滤波拓扑的基础上，在高介电常数陶瓷板上直接覆铜，构成LC 集成单元，并按照传统EMI 滤波器设计方法，分别利用LC 集成单元构成共模滤波和差模滤波结构，进而组成完整的EMI 滤波器。本课题组经过进一步研究，提出环形LC 集成单元，并组成完整的平面EMI 滤波器(图2)。
平面EMI 滤波器的特点是采用平面集成LC 结构(图3)代替传统的分立式电感和电容，组成EMI 滤波器的经典结构。
由于EMI 滤波器串联于电网与开关电源之间，故其载流能力必须符合开关电源设计要求。受制于现有的陶瓷板覆铜技术，对于矩形铜导线的厚度有较大的限制，当通过较大的电流时，铜导线宽度必然增大，影响平面EMI 滤波器的电磁特性。文献[3，4]提出采用交错绕组结构以减小共模绕组的等效并联电容。但这种方法应用于平面滤波器结构时会影响共模电容值，且对耦合系数要求过高。本文基于现有的平面LC 集成结构电磁模型，分析集肤效应对于EMI 滤波器寄生参数的影响，并采用有限元法计算采用分股并联PCB 导线结构后,LC 单元寄生电容和寄生电阻的参数变化。
2.集成LC 单元寄生参数对结构设计的影响
2.1 集成LC 单元寄生参数设计
经典的EMI 滤波器设计中，EMI 干扰分为共模干扰与差模干扰，两种干扰产生的主要原因不同，滤波器基本结构也不相同[5],图3 为平面EMI 共模干扰滤波器的等效电路图。
其中，RLISN 为LISN 等效标准电阻，RLISN=25Ω;LCM、CY 为等效共模电感、共模电容;CEPC、RESR 分别为共模电感的寄生等效电容值与等效串联电阻值。根据等效电路，图4 在EMI 测量频段内，其共模电感的阻抗越大，RLISN 两端电压越小，即EMI 干扰的测试值越小，共模电感的阻抗值为：
式(1)表明,当频率小于自谐振频率( 0 1 c EPC ω = L C )时，阻抗呈感性，当频率大于谐振频率时，阻抗呈容性。同时，在自谐振频率前，等效串联电阻越大，阻抗(ZLCM)越大。图5 为考虑共模电感寄生参数的共模滤波器插入损耗特性。
比较曲线l0 与曲线lR1、lR2，可以看出在共模滤波器其它参数不变的条件下，增大等效串联电阻，可以提高谐振频率点处的插入损耗，并进一步提高其它频率点处的插入损耗。比较曲线l0 与曲线lC1、lC2 发现，减小等效并联电容，可以将共模电感的自谐振频率点增大，从而改变共模滤波器插入损耗曲线的谐振频率点，提升其滤波性能。在设计平面集成LC 单元时，需尽量减小共模电感的等效并联电容(EPC)，并增强集肤效应，从而加大
其高频交流等效串联电阻(ESR)。
2.2 共模模块PCB 导线交流等效串联电阻分析
集成LC 单元采用矩形导线(图6)，为增大等效串
联电阻，我们可以利用集肤效应与邻近效应，提高集
成共模电感在高频段的交流电阻。
图6 矩形截面导线模型
其中，R— 导线轴心距;
W— 铜导线的宽度;
H— 铜导线的厚度。
根据传统的经验公式，矩形PCB 导线的等效串联
电阻交、直流电阻比为[6]：
由式(2)可以看出，导线的等效串联电阻的交直流电阻比(Kac)与导体宽度与厚度比相关，相同的导线截面积，设计不同的导线宽度时其高频段等效串联电阻会有较大变化。采用经验公式简单快捷，但此经验公式不够精确，故本文采用有限元法计算等效串联电阻的交直流电阻比。
2.3 共模模块PCB 导线等效并联电容分析
EMI 滤波器的载流能力受制于开关电源功率等级，当其流过较大电流时，PCB 导线截面积必然增加，此时导线截面宽度与厚度有两种设计(图7)。
为比较两种导线设计趋势的优缺点，建立平面LC单元等效并联电容模型[7](图8)。
图8 表明，等效并联电容分为两部分，分别为上表面区域构成的电容Cgu 和下表区域构成的电容Cgb。由于陶瓷板介电常数远远大于周围空气的介电常数，故可以认为几乎所有的通量被限制在高介电常数的陶瓷基板内，导线边缘产生的电容可以忽略不计，等效并联电容主要有Cgb 决定。此时将Cgb 看成为一个“电容器”。为减小等效并联电容(EPC)，在导体间距不变的情况下，需增大导线下表面的表面积。故“窄而厚”的设计更加符合集成LC 单元的要求。
2.4 分股导线结构在集成滤波器中应用
由于高介电常数的陶瓷板上覆铜厚度有较大的限制，单股结构的LC 单元导线宽度不易减小。为尽量减小PCB 导线宽度以减小共模电感的等效并联电容，可以借鉴常见的平面电感设计原理，采用分股并联的LC 单元结构(图9)。
新型结构是将陶瓷基板结构的LC 单元与PCB 基板结构的平面电感紧密压制，从而将单股矩形导线分成多股宽度较小的导线，并使各股铜导线通过PCB 基板上的通孔并联。这种结构合理的利用了成熟的PCB基板技术，在保证PCB 板厚度足够小的情况下，有效缩小了单板表面积与整体体积，同时利用PCB 技术解决陶瓷基板焊接不易的问题，图10 为导线并联结构LC 单元模型。
3. 单股导线结构寄生参数计算
比较不同宽度下两匝间等效并联电容(EPC)与等效串联电阻的交直流比(图11、12)。计算结果表明,导线截面积一定时，平面LC 单元的等效并联电容与导线宽度(W)呈线性关系。PCB 导线宽度越小,其等效并联电容越小。PCB 导线宽度越小，其交直流电阻比(Kac)越大，高频时共模电感的等效串联电阻越大。
4. 分股并联导线结构寄生参数计算
采用分股并联导线结构代替单股矩形导线结构，以三股为例，建立新的有限元计算模型[8]，计算LC 单元的寄生参数(图13~图15)。
采用新结构后，导体宽度成倍减小，进而等效并联电容明显减小。同时，虽然分裂导线减弱矩形导线的集肤效应，同等宽度下交流电阻有所减小。但对比于同等厚度矩形导线单股导线结构，新结构的导线集肤效应得到加强。
5.实验验证
为验证采用分股导线结构后,其等效并联电容的变化趋势,采用PCB 基板制作两种宽度LC 单元系列。LC 单元系列1 以2.5mm 宽度导线构成单股结构LC 单元,并制作其相应的双股并联结构和三股并联结构;LC 单元系列2 以1.5mm 宽度导线构成单股结构LC 单元，同样制作其相应的双股并联结构和三股并联结构。其中系列1 的导线间距(G)为0.75mm，系列2的导线间距为1.5mm，电容测试采用Agilent 4395A 阻抗分析模块。
比较上表中各数据，可以看出对于任意参数的LC单元，采用分股并联结构后，其等效并联电容都会有一定的减小，且分裂股数越多，其等效并联电容越小。
6. 结论
以环形“感容”集成结构为基本组成单元(LC 单元)，论证了集成电感等效并联电容(EPC)及等效串联电阻在高频段与PCB 导线截面宽度的关系，并在现有技术前提下提出一种改进方法，得到如下结论：
(1) 降低电感等效并联电容或是提高其等效串联等效电阻，都可以提高EMI 滤波器高频段的滤波性能。
(2) 在矩形导线截面积一定的条件下，减小导线宽度、增加厚度可以减小等效并联电容，增强集肤效应、增大交流电阻。
(3) 采用分股并联结构后，其等效并联电容基本不变，并可以获得较大的交流电阻。
| 【上一个】 开关电源功能规格测试项目 | 【下一个】 电源插座 |
| ^ PCB 导线分裂技术在平面EMI 滤波器中的应用 |