电磁干扰(EMI)对所有电子应用来说都是日益重点关注的问题。随着设备数量的增加，EMI暴露水平也随之增加，而防止这种干扰并不总像看起来那么简单。电源转换器的EMI滤波尤其具有挑战性。
工程师在设计任何带有电源转换器的系统时，都必须考虑如何保护转换器及其邻近元件免受EMI的影响。为此，首先必须了解为什么EMI滤波对于转换器效率如此重要。
EMI对电源转换器的影响主要体现在两个方面。首先，它会阻碍转换器本身的功效。来自附近组件或射频(RF)波的电磁噪声可能会中断电路并使电路过载。即使这种干扰不会导致完全停机，转换器也将无法在峰值状态下运行。
考虑转换器的EMI对其他电子系统的影响也很重要。随着对高效率和小外形尺寸的需求不断增加，这些组件变得更加紧凑和快速。因此，它们具有更快的开关速度，产生的电磁噪声也更大，可能会损坏附近的组件。
最近的技术趋势加剧了这些影响。到2023年，全球联网的物联网设备数量超过150亿台，电磁干扰源比以往任何时候都多。5G网络的运行频率更高，波长更小，因此也带来了更大的风险。
对电源转换器进行恰当的EMI滤波可确保它们尽可能保持高效，而不会对附近的组件造成危害。要达到这种保护水平，需要注意几个步骤和注意事项。
提供足够的EMI保护的第一步是了解您需要多少保护。这意味着要确定您的电磁兼容性(EMC)——同时考虑转换器和同一系统中的其他组件。
跳过此步骤并通过实施最严格的EMI滤波和屏蔽来小心行事可能很诱人。然而，如果您没有正确调整滤波器的尺寸，则可能会产生不必要的庞大系统并阻碍必要的射频通信。
系统的EMC主要考虑两个因素。首先，您必须确定每个组件和整个系统对EMI的敏感程度。然后，计算它产生多少EMI。将这些数字结合起来，就能得出一个EMC估计值，您可以使用它来确定您需要哪种屏蔽或滤波。
电源转换器的EMC滤波还必须考虑哪种类型的滤波器最适合特定应用。大多数EMI滤波器都是单相或三相的，但还有其他方法来区分滤波系统。
最好还能在低通滤波器和高通滤波器之间进行选择，前者可以阻断高频信号，让低频信号通过，后者则起到相反的作用。这一考虑因素与系统的EMC以及必须应对的频率有关。您还应该确定需要无源滤波器还是有源滤波器。
哪种类型最好取决于您的需求。单相滤波器占用空间较小，但效率较低，因此不适合高敏感的应用。有源滤波器在大多数应用中可以更小并且通常更有效，但其能耗会导致敏感系统的电压失真，并且它们的成本可能更高。
同样，一旦选择了滤波器类型，您就应该考虑哪种配置最适合您的需求。在任何拓扑中，除了一阶滤波器(使用电容器或电感器，而不是同时使用两者)之外，您都将至少有两个滤波组件可供使用。它们放置的顺序将影响它们的效率。
一般规则是在电路中较早地提供最高频率失配。通常，这意味着如果源阻抗为100Ω或更低，则将电感器放置在最靠近源的位置。当阻抗高于100Ω时，则使用电容器作为第一个滤波元件。
如果您使用三个或更多元件，应交替使用。无论是先使用电容器还是电感器，都不要紧接着使用同类元件，以尽可能提高效率。
即使进行了如此充分的准备，仍需要进行测试以确保您的EMI滤波器正常工作。然而，您肯定希望尽可能减少现实世界的测试，因为重新设计原型既耗时又昂贵。仿真是一个理想的选择。
在制作物理原型之前，先创建一个带有电源转换器EMI屏蔽的设备的数字副本。理想情况下，该模型应该是一个数字孪生，它使用真实世界的数据来提高传统仿真的准确性。然后，您可以仿真各种条件和过程来衡量滤波器的工作效果。
在获得最佳结果之前，您可能需要调整一些因素。一定要先在数字模型中进行这些调整，只有在仿真显示出一致的可接受的性能后才转向物理原型。即使您必须在原型设计后重新设计系统，您也可以减少物理迭代，从而缩短时间并降低成本。
最后，如果没有环境保护，电源转换器的EMI滤波是不完整的。传统的EMI滤波器和屏蔽系统通常容易受到潮湿、污垢和极端温度等自然因素的影响。考虑到汽车行业是最大的电源转换器市场，这些因素是一个突出的问题。
最简单的解决方案是在EMI滤波器周围添加密封件、隔热材料、板材和其他保护装置，但这很快就会导致系统体积庞大。更好的解决方案是使用既能起到EMI滤波作用又能起到环境缓冲作用的材料。
硅胶是一种流行的选择，因为它既能提供全面的EMI屏蔽，同时又耐热和防水。银等耐腐蚀金属也是可以接受的，但这些可能会增加成本。请务必审查您的具体需求和可用资源，以找到适合您系统的最佳解决方案。
电源转换器的EMI滤波可能具有挑战性，但它对于设备的可靠性和效率至关重要。如果您知道会遇到哪些挑战，就能调整方法，设计出更具成本效益但抗EMI的系统。
每个电路都是独一无二的，但这五种最佳实践适用于每种EMI滤波应用。将它们作为起点，然后根据您的具体需求进行调整，以获得最佳结果。
(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Improve Power Converter Efficiency with Effective EMI Filtering，由Ricardo Xie编译。)
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