仿真在解决电磁干扰问题的所有应用中都能节约时间，经费和精力。
CHRIS DEBRAAL
Curtis Industries
Milwaukee, WI, USA
电力线电磁干扰滤波器的插入损耗在很宽的频率范围内，可以通过电路仿真作出精确推算。分析电路时，重要的是要考虑测试模式和阻抗，基本元件的值，代表每个元件寄生成分的多样性，以及结构和布局。
决定等效串联电感和电容阻抗的公式，以及绕组间电容和磁芯损耗，可以帮助我们创建滤波器组件的模型。其它与导线长度、接近效应和串扰等有关的元件，能帮助我们定义系统寄生现象。因此，这些“模型的”元件就可以组成一个用作构成电路仿真的独立而完整的原理图。
对基本和寄生成分参数值的处理将使性能得到提高，并能推动设计的优化。仿真和实际测试数据的对比，可以证明结果能达到的精确程度。
采用完整的电路描述，就能正确地刻划和有效地优化电磁干扰滤波器的性能。滤波器电路的仿真可以设立来“模仿”实际的测试结果，并节省研究和电路原型制作的经费。
电磁干扰EMI
电磁干扰是一种不需要的电磁发射，能引起不同程度的噪声响应，故障或者电子设备性能的下降。这种噪声通常发生在10kHz到30MHz的频率范围内。为了降低这种噪声，通常使用电磁干扰滤波器。电磁干扰滤波器是一种无源电子设备，用来抑止在输电线路或信号线路中的传导干扰。这种滤波器可以用来抑止设备本身产生的噪声，以及其它装置产生的噪声，并可在设备的电子环境中改善其功能性。电磁干扰滤波器可以包含同时抑制共模（线接地）和差模（线到线）干扰的元件。
元件的选择
电磁干扰滤波器的正确设计包括选择滤除所有EMI噪声所需要的合适元件，包括电感和电容。对这些元件的评定包括多种细节，必须编写好仿真模型以确保正确的滤波效果，如电感器线圈内的匝间电容值，有效串联电阻值(ESR)，以及电容自身的有效串联电感值（ESL或引线电感）。
原理图
电磁干扰滤波器由改进了线对地性能的共模线圈组成，但仍然可以利用线圈的漏电感来加强差模（线到线）性能。接地电容和电感器连接，用来增进共模性能，线到线的电容器则用来得到差分方式的性能。（线到线的电阻对性能无任何帮助，它唯一的功能是为安全因素考虑而作为一个旁路电阻，在滤波器断开时通过它对L/L电容器放电。）
滤波器电路仿真
在理解电磁干扰滤波器的构成之后，设计者就要准备进行下一步工作：通过对滤波器电路进行仿真，来确定滤波器将达到良好的性能时所希望覆盖的频率范围。许多软件程序可以用来进行电路仿真。本例中，作者用一个PSpice和SPICE兼容的模拟与数字仿真器来实现电子设计自动化。通常这些软件的制造者会提供方便从互联网上下载的评估版本。这些程序都有很友好的用户界面，允许采用AC分析工具以便电路仿真，同时设置要求的频率和节点用于分析。由于本例的滤波器原理图示于图1。
50/50电路
在每一个原理图中， 仿真都会用到一个50/50-Ohm电路（在滤波器的线路端和负载端均使用50-Ohm阻抗）。这些值被用来作为一个标准插入损耗测试方法，因此，有必要在电路图中将这些值表示出来以模拟真实的插入损耗测试。
电感的仿真
首先要考虑的元件是电感。大多数电感是在一个环形磁芯上卷绕不同规格的导线而形成的。在滤波器应用中最常用的磁芯材料是铁氧体和铁粉。由于磁芯的材料和线圈匝数，电感器往往有一个频率“跌落”的特性——f0，即在这个频率下电感开始失去工作能力。这个跌落值几乎总是由磁芯材料的规格来决定。可以简单地从磁芯材料规格中查到f0的值，再代入电路原理图显示的公式中。这个步骤可以让电感模型更加真实。例如，一般5k渗透率的磁芯材料的f0值约为300kHz。将这个值平方然后代入电感模型公式中，如图3所示得到“1E11”。
在使用共模电感时，滤波器在共模方式和差模方式下的性能标准是不同的，所以对两种电路分别进行仿真就显得很重要。电感同时具有一个标准电感值（在共模方式下最有效）和一个漏电感值（在差模方式下最有效）。因此，共模电路将具有一个表示标准电感值的电感模型，而差模电路需要表现出包含漏电感值的电感模型。如果不经过测量，可以假定渗漏电感值为1％到2％的共模电感值。这两种模式下都有一个跌落频率公式，以使仿真效果尽可能地接近实际的滤波器。此外，差模方式的跌落频率约比共模方式的高出30倍。运用这些给定的公式，设计者可以“模拟”出真实电感线圈的实际性能，得出更精确的滤波器仿真结果。
图1. EMI滤波器原理图
线圈匝间电容
线圈匝间（寄生的）电容是在靠近磁芯和靠近其它线圈的线圈上引起的。在每一匝之间的空间相当于和电感并联的一个电容。电容量越大，高频时电感阻抗的衰减就越厉害。这种阻抗的衰减将导致有害的噪声更容易进入系统。因此，更多的寄生电容会降低有用频率的上限。
磁芯上线圈的匝数受磁芯的内径以及线圈互相缠绕的紧密程度的约束。由于电感量的增加，一旦已经达到了绕在磁芯上单层线圈卷绕的最大匝数，设计者就必须通过覆盖卷绕层来增加匝数，于是形成了多层线圈。当第一层由相邻的线圈产生了电容时，接下来的层也会由临近的层产生一个附加的电容，这样就大幅度地增加了电感匝间电容。很显然，在这样大幅度的增长下，滤波器仿真中包含这个分量值（和电感器并联）以得到表示实际滤波器性能的更真实的结果，就显得至关重要。图2显示了电容以及一个典型电感线圈的图，和线圈的每匝和每层之间空间的一个横断面。
d = 线匝/层间的距离，(m)
这个公式中，“A”通常约等于磁芯线圈导线直径的1/4×每匝线圈的长度×总匝数，“d”通常取两倍的磁芯线圈导线绝缘层的厚度。这个公式是一个简单的近似，并且对仿真电路找到有用的匝间电容值而言，也是一个很好的逼近。
另外，设计者还需考虑公式中电感导线的真实阻抗。但在仿真场合，阻抗只有0.55Ohm，作用微乎其微。现在，所有这些寄生信息都可以被放入原理图了。图3表示其原理图和一个仿真电感线圈的曲线，以及与之相比较的真实电感线圈的曲线。显然，两个曲线可以很好地吻合。
电容的引线电感
任意长度的导线都有一定程度的电感。因此，电容器引线同样有少量相应的电感，测量它们非常容易。通常，一个¼”电容的引线可测出的电感量约为9nH。在滤波器电路仿真中考虑这样的引线电感以获得精确的结果是很重要的。这个电感值将以与电容串联的形式显示在仿真电路（图4）。随电容引线的长度的不同，引线电感和电容的谐振频率也不同。显然，最好的方法是基于引线长度，对实际的引线电感做一个精确的测量，再将测量值代入电路仿真。
图3. 线圈原理图和特性曲线
等效串联电阻ESR
电容同样也有与之对应的电阻，称为ESR（等效串联电阻）。这个值通常由电容的规格指定，并且也会以和元件串联的形式表现在滤波器原理图中。通常对大多数电容的ESR的合理假定为0.5Ohm，如这些电路所示。现在，将电容的适当引线电感量和ESR用串联形式列入考虑之后，让我们来分析比较电容的仿真曲线和实际电容曲线。图4显示了一个用于差模形式的线对线薄膜电容的性能图，以及仿真结果与实际结果比较的曲线。和电感的情况一样，两个曲线非常相似。
图4. 电容原理图和特性曲线
图6. 共模滤波器原理图和曲线
完整的滤波器仿真
将所有的元件都考虑后，我们来对共模和差模的完整滤波器进行仿真。图5和图6分别是两种模式下的仿真原理图以及滤波器仿真与实际测试的对比曲线。由于模型中并没有处理某些附加现象比如接地，屏蔽以及铁材料间临近效应，在软件仿真中可能会出现超过100dB的不切实际值。正常情况下，由于这些特殊的附加条件，期望出自于EMI滤波器的最真实的性能在各种频率下均为80dB（差模形式曲线中显示的虚线（图5））。除了这些局限外，差模曲线都有非常好的吻合，证明模型确实非常接近滤波器的插入损耗。
在共模曲线中（图6），谐振频率图形吻合，但是同样因为没有包含这些附加条件而有一定幅度的偏移。
结论
如以上信息显示的那样，在解决任何应用场合解决电磁干扰问题时，均可容易地对EMI滤波器进行仿真，以利节省时间，经费以及精力。 |
