一開(kāi)關(guān)電源與EMC的矛盾

相信大家對(duì)開(kāi)關(guān)電源并不陌生，因其高效率、小體積的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的標(biāo)配“心臟”。然而，這顆心臟在強(qiáng)勁搏動(dòng)的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的EMI問(wèn)題——開(kāi)關(guān)管在高頻開(kāi)通斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓和電流變化（dv/dt和di/dt），這正是EMI的根源，其開(kāi)關(guān)頻率的基頻及其低次諧波超標(biāo)是一個(gè)極其常見(jiàn)且棘手的難題。

這些低頻段的噪聲能量集中，難以被濾除，極易導(dǎo)致CE和RE測(cè)試在特定頻點(diǎn)超標(biāo)。面對(duì)這一難題，工程師們急需一款精準(zhǔn)高效的手段——LCπ濾波器。

二為何有效的原因

LCπ濾波器是LC濾波器的增強(qiáng)版，由一個(gè)電感L和兩個(gè)電容C組成形似“π”的電路。

它成為基頻克星的原因在于：

1.更陡峭的衰減斜率：

相比普通LC濾波器的-40dB/十倍頻程衰減率，LCπ型濾波器能提供-60dB/十倍頻程甚至更陡的衰減，對(duì)低頻基頻干擾的壓制效果更顯著。

2.雙重濾波作用：

C1濾除來(lái)自輸入線的干擾并吸收部分內(nèi)部噪聲，L起到主阻礙作用，C2則將殘余噪聲進(jìn)一步短路到地，確保輸出純凈。

3.精準(zhǔn)打擊能力：

通過(guò)諧振公式 f = 1 / (2π√(LC)) 可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)濾波器的諧振頻率，將其最大衰減點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)基頻，實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)清除”。

三如何布置殺手锏

理論很完美，但實(shí)戰(zhàn)中布置這款“殺手锏”時(shí)，細(xì)節(jié)決定成敗。

1.確定參數(shù)：

嚴(yán)格按照諧振公式 f = 1 / (2π√(LC))確定LC參數(shù)，通常選擇截止頻率低于噪聲頻率的1/10（出于-60dB/十倍頻程考慮）。

2.布局是關(guān)鍵：

濾波器注意布局緊湊，輸入輸出回路嚴(yán)格分離，避免引線過(guò)長(zhǎng)引入寄生電感。

3.元件選擇：

電感需選用抗飽和的功率電感；電容應(yīng)選用低ESR/ESL的陶瓷電容，常將不同容值（如10μF與100nF）并聯(lián)以拓寬濾波頻帶。

四實(shí)際案例

接下來(lái)給大家?guī)?lái)兩個(gè)簡(jiǎn)單的LCπ濾波的應(yīng)用案例：

1.在對(duì)一款智能門(mén)鎖顯示屏進(jìn)行消費(fèi)CE測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)在一級(jí)電源開(kāi)關(guān)頻率556kHz的基頻及其2次、3次諧波處均有明顯超標(biāo)，無(wú)法通過(guò)EN55032 Class B限值。

板子上的原本的濾波方案是已經(jīng)有了多級(jí)電容，后續(xù)嘗試在電源芯片前后各多加兩個(gè)22uf的濾波電容，只能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率的諧波降下去，可是基頻仍舊超標(biāo)，面對(duì)基頻超標(biāo)的情況，共模濾波器也無(wú)法發(fā)揮太大作用。由于板上沒(méi)有太多空間，最后是在電源線上添加了一個(gè)LCπ，參數(shù)為電容2.2uF+電感3.3uH（對(duì)應(yīng)諧振頻率59Khz，近乎開(kāi)關(guān)頻率十分之一）。加上LCπ后，存在的開(kāi)關(guān)頻率超標(biāo)已經(jīng)完全下去了，基頻降了差不多54個(gè)dB。

下面是整改前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

2.第二個(gè)是一款摩托車(chē)儀表進(jìn)行車(chē)載CE的電壓法測(cè)試時(shí)，同樣出現(xiàn)了一級(jí)電源開(kāi)關(guān)頻率700kHz基頻及諧波超標(biāo)的情況，有了上一個(gè)案例的經(jīng)驗(yàn)，在觀察完PCB板后，直接在電源線上割開(kāi)，然后加上了LCπ濾波器，參數(shù)為電容2.2uF+電感2.2uH（對(duì)應(yīng)諧振頻率72kHz）。

不出所料，整改前后的700kHz的開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)降下去了，同時(shí)基頻降了差不多40個(gè)dB。下面附上整改前后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

五總結(jié)

在復(fù)雜的電磁兼容設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)電源的基頻及其諧波無(wú)疑是一個(gè)難纏的“對(duì)手”。而LCπ濾波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果顯著、可針對(duì)性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，成為了EMC工程師手中名副其實(shí)的“殺手锏”。為了使其發(fā)揮最大作用，請(qǐng)謹(jǐn)記相關(guān)的工程設(shè)計(jì)規(guī)則，相信它能給您帶來(lái)出乎意料的效果的。