傳導性電磁干擾濾波器設計
4.2 半橋升壓型功率因數修正器雜訊源特性
4.2.1 DM和CM雜訊迴路分析
C R T
21 .
= 2 (4-4) 在此 T=1s，而 C 為所有 X 電容值總合(μF)。
最後將上述EMI 濾波元件，整理在表 4.2。
表4.2 EMI 濾波元件特性
濾波元件種類 材質 共模雜訊作用 差模雜訊作用 一般規格 共模電感 陶鐵磁鐵心 有 漏電感 1-30mH
差模電感 鐵粉心鐵心 小 有 1-200µH
X 電容 金屬皮模 無 有 0.1-2.2µF Y 電容 高壓陶瓷 有 小 0.47-10nF
4.2 半橋升壓型功率因數修正器雜訊源特性
4.2.1 DM和CM雜訊迴路分析
半橋升壓型功率因數修正器如圖 4.8 所示，CP為功率開關汲極到大地之間的 寄生電容，功率開關Q1或Q2汲源V 兩端電壓變化 0~2ds V 能用方波電壓源O V 取S 代。
45 50Ω
I1 50Ω I2
CP
CP
L C1
C2
Load Q1
Q2
50Ω
I1 50Ω I2
CP
CP
L C1
C2
Load Q1
Q2
圖4.8 半橋升壓型功率因數修正器
DM 雜訊源迴路
當電感電流iL工作在 CCM，DM 雜訊迴路可以簡化為圖 4.9。其中Zloop為整 體電路迴路阻抗，ZL為電感L 等效阻抗，Zload為 LISN 等效阻抗，V 為功率開關S
Q1或Q2汲源V 兩端電壓變化雜訊源。 ds
L
N
Vo-Vi LISN
t Vs
-Vi
DT
T LISN
Zload 100Ω
Zloop ZL
Vs L
N
Vo-Vi LISN
t Vs
-Vi
DT
T LISN
Zload 100Ω
Zloop ZL
Vs
圖4.9 DM 雜訊迴路
根據DM 雜訊迴路分析，在 100Ω 兩端 DM 雜訊電壓VDM 為：
S L loop load
load
DM V
Z Z Z V Z
+
= + (4-4)
46
電感在繞組間會有寄生電容效應，它會導致電感在高頻阻抗變小。大多數情況
L
loop Z
Z << ，由(4-4)得知，ZL為影響在DM 雜訊最重要的因素。
電感的阻抗-頻率曲線如圖 4.10 所示，說明如下：
(1) 超過 A 點頻率，B、D 和 F 點呈現低ZL。 (2) 在 A 點頻率之前，ZL會以+20dB/dec 遞增。
(3) 在 A 點和 B 點頻率之間，ZL效應會以-20dB/dec 遞減像電容一般。
(4) 在 B、D 和 F 點頻率附近，ZL略小於-20dB/dec 遞減。
1600 A
B C
D E
F 1 頻率
1 10000 1000 100
A
B C
D E
F
頻率(kHz) 阻抗(Ω)
70
1600 A
B C
D E
F 1 頻率
1 10000 1000 100
A
B C
D E
F
頻率(kHz) 阻抗(Ω)
70
圖4.10 輸入電感之阻抗-頻率圖
如圖4.11 為 DM 雜訊頻譜圖。說明如下：
(1) 方波電壓源V 對於 DM 雜訊有衰減 20dB/dec[20]，S ZL在 A 點頻率前，衰 減DM 雜訊 20dB/dec，所以 DM 雜訊在 A 點頻率前被衰減 40dB/dec。
(2) 在 A 點和 B 點頻率之間，電感寄生電容效應，增加 DM 雜訊 20dB/dec ， 方波電壓源V 對於 DM 雜訊有衰減 20dB/dec ，所以 DM 雜訊 0 dB/dec。 S (3) 其他 B、D 和 F 點頻率，由於ZL隨頻率增加而減少，所以會放大 DM 雜
訊。
47 1600
100 1000
--90 80 70
---- A B
C D
-10000 100000 kHz
dBμV
- 40 dB/dec
0 dB/dec
1600
100 1000
--90 80 70
---- A B
C D
-10000 100000 kHz
dBμV
- 40 dB/dec
0 dB/dec
圖4.11 DM 雜訊頻譜圖
ZL對 DM 雜訊影響，在高頻處 DM 雜訊峰值頻率（B、C 和 D 點）與ZL低 凹處頻率(B、D 和 F 點)一致，ZL的 A 點頻率與 DM 雜訊頻譜衰減的 A 點頻率一 致。基於以上的分析，增加電感阻尼(damping)能增加電感電阻性並且減少 DM 雜 訊峰值(B、D 和 F)。此外，增加ZL之 A 點頻率能把 DM 雜訊 40dB/dec 衰減更高 的頻率範圍。
為了減少高頻DM 雜訊，電感設計非常重要。如圖 4.12 所示為使用高功率損 失(高阻尼)鐵心之電感及電感線圈緊密繞法的阻抗-頻率曲線，說明如下：
(1) 圖中 B 點頻率ZL超過 350Ω 和未使用高功率損失鐵心之電感比較相差 5-10 倍。
(2) 圖中 A 點頻率為 3.2MHz 是電感線圈未緊密繞法的兩倍。
40MHz 1kHz
1Ω 10kΩ
1kΩ 100Ω
3.2MHz 350Ω
A
B
40MHz 1kHz
1Ω 10kΩ
1kΩ 100Ω
3.2MHz 350Ω
A
B
圖4.12 高功率損失鐵心電感的阻抗-頻率曲線
48
100 1000 10000 100000
- 40dB/dec
0dB/dec
100 1000 10000 100000 kHz
120
60 dBμV
- 40dB/dec
0dB/dec
A B
圖4.13 比較不同材質電感對雜訊衰減能力
CM 雜訊迴路分析
圖 4.14(a)為半橋升壓型功率因數修正器之 CM雜訊混合-模型(mixed-mode)電 流迴路，因為imx存在迴路中會引起很大的 DM 雜訊，所以加入圖 4.14(b)平衡
49
如圖 4.15 為平衡混合-模型簡化成 CM 雜訊迴路，CP為汲極到地的寄生電 容，Zloop為整體電路迴路阻抗，Zload為LISN 的阻抗，V 為功率開關S Q1或Q2汲源 V 兩端電壓變化雜訊源。 ds
L,N
G LISN
Zload 25Ω
Zloop CP
VS L,N
G LISN
Zload 25Ω
Zloop CP
VS
圖4.15 CM 雜訊迴路
如圖4.16 為傳導性 CM 雜訊測量頻譜結果。說明如下：
(1) 因為V 有衰減 CM 雜訊 20dB/dec[20]及S CP有增加 CM 雜訊 20dB/dec，所 以CM 雜訊 0dB/dec。
(2) 頻率 5000kHz 以上，因為迴路雜散電感和V 衰減 CM 雜訊受功率開關上S 升和下降時間影響，所以CM 雜訊會有負的斜率。
功率開關上昇/下降時間&
寄生電容電感效應影響
100 1000 10000 100000
60 80
40 20
0dB/dec
100 1000 10000 100000 kHz
0 100
60 80
40 20 dBμV
5000
功率開關上昇/下降時間&
寄生電容電感效應影響
100 1000 10000 100000
60 80
40 20
0dB/dec
100 1000 10000 100000 kHz
0 100
60 80
40 20 dBμV
5000
圖4.16 CM 雜訊頻譜圖
50