開關(guān)電源EMI濾波器的設(shè)計(jì)

鄭真福

（69026部隊(duì)69分隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830092）

1 開關(guān)電源EMI濾波器原理

開關(guān)電源及相關(guān)電子設(shè)備處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，均會(huì)在電源設(shè)備輸入端出現(xiàn)終端噪聲，進(jìn)而產(chǎn)生傳導(dǎo)、輻射干擾，甚至進(jìn)入交流電網(wǎng)內(nèi)，對(duì)其他電子設(shè)備造成干擾[1]。在EMI濾波器輸出阻抗、負(fù)載阻抗數(shù)值存在一定差異時(shí)，端口會(huì)出現(xiàn)反射（反射與阻抗差值成正比），同時(shí)在EMI濾波器兩端阻抗均與外部阻抗不為一個(gè)相同的數(shù)值時(shí)，則EMI濾波器信號(hào)在其輸出端、輸出端均會(huì)產(chǎn)生一定反射，實(shí)現(xiàn)EMI濾波器對(duì)電磁干擾信號(hào)的衰減。具體衰減效果與EMI濾波器固有插入損耗、反射損耗具有較為緊密的聯(lián)系?；诖?，可以通過EMI濾波器阻抗的正確連接獲得盡可能大的反射，促使EMI濾波器在較寬頻率范圍內(nèi)造成較大的阻抗失配，進(jìn)而提高EMI濾波器抑制開關(guān)電源電磁干擾性能。

2 開關(guān)電源EMI濾波器的設(shè)計(jì)原則

2.1 電路結(jié)構(gòu)選取原則

考慮到在開關(guān)電源EMI濾波器實(shí)際應(yīng)用階段，兩端阻抗大多處于失配狀態(tài)，EMI信號(hào)極易在濾波器輸入端、輸出端產(chǎn)生反射?；谑渲蹬c反射成正比原則，在源阻抗為高阻抗時(shí)可以設(shè)置EMI濾波器輸入阻抗為低阻抗[2]。在負(fù)載阻抗為高阻抗時(shí)，設(shè)置EMI濾波器輸出阻抗為低阻抗，保證EMI濾波器電感始終為高阻，電容為低阻，以達(dá)到較為滿意的EMI噪聲抑制效果。

2.2 電感線圈設(shè)計(jì)原則

EMI濾波器共模線圈主要用磁芯包括U形、環(huán)形、E形等，材料多為鐵氧體。由于環(huán)形磁芯磁路較長(zhǎng)，可以在圈數(shù)較少時(shí)獲得較大電感量，因此在大電流小電感量開關(guān)電源EMI濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，可以優(yōu)先選擇環(huán)形磁芯。但在不需考慮所需噪聲衰減效果時(shí)，需要優(yōu)先考慮線圈泄露磁通較小的E形磁芯；而在差模電感線圈設(shè)計(jì)時(shí)，由于粉壓磁芯適用頻率在幾十千赫茲到幾百千赫茲之間，具有較為優(yōu)良的直流重疊特性，因此在大電流應(yīng)用時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇金屬粉壓磁芯作為差模電感。

2.3 電容器設(shè)計(jì)原則

開關(guān)電源EMI濾波器主要使用差模電容、共模電容兩種電容器，其在EMI濾波器中作用及安全等級(jí)要求均具有較大差異[3]。其中在差模電容設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到其需要在額定交流電壓增設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行交流進(jìn)線間存在多種類型EMI峰值電壓疊加，因此，應(yīng)選擇高耐瞬態(tài)峰值電壓、高耐壓、高安全等級(jí)（X2類）的電容器；而在共模電容設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到其需要在開關(guān)電源線進(jìn)線口、機(jī)殼地間連接，應(yīng)優(yōu)先選擇電氣、機(jī)械性能上安全余量較大，且額定頻率電壓下漏電流在安全范圍值以下的電容器，以便在擊穿短路事故發(fā)生時(shí)設(shè)備機(jī)殼不帶電或帶有較小的電流。

3 開關(guān)電源EMI濾波器的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，普遍認(rèn)同的開關(guān)電源EMI濾波器需要滿足規(guī)定要求的阻帶頻率、阻帶衰減（即某一特定頻率具有所需篩選）、良好濾除諧波分量效果、規(guī)定的通帶頻率及通帶低衰減（對(duì)電網(wǎng)頻率低衰減）、輸入直流分量不造成衰減、成本低、濾波時(shí)不干擾電源帶負(fù)荷能力等要求[4]?；谏鲜鲆?，應(yīng)盡可能減小EMI濾波器的輸入導(dǎo)納、輸出阻抗（為0或接近于0）。此外，在低頻時(shí)，反向電流增益、正向電壓增益設(shè)計(jì)值應(yīng)盡可能為1。

考慮到EMI濾波器效果不僅依賴于自身，而且受電網(wǎng)阻抗、噪聲源阻抗影響，而電網(wǎng)阻抗大多利用連接在EMI濾波器、電網(wǎng)間的靜態(tài)阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（含50 Ω電阻、電感、電容）進(jìn)行校正。以典型反激式開關(guān)電源為例，其全橋整流電路電流均處于斷續(xù)狀態(tài)，共模噪聲可以看做一個(gè)電流源與高阻抗并聯(lián)，此時(shí)整流橋二極管通斷情況是差模噪聲主要決定因素。而共模噪聲具有兩種狀態(tài)，在任意兩二極管導(dǎo)通的情況下共模噪聲可等效為一電壓源、低值阻抗串聯(lián)，反之則可等效為兩者并聯(lián)，且噪聲源差模等效阻抗可以兩倍的工頻頻率，在共模噪聲兩狀態(tài)中靈活切換?；诖耍蓪㈤_關(guān)電源EMI濾波器看做一理想濾波器，僅考慮開關(guān)電源EMI濾波器的低頻抑制特性，直接采用實(shí)際測(cè)量共模噪聲的方法確定寄生參數(shù)。

3.2 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)上述開關(guān)電源EMI濾波器設(shè)計(jì)要求，應(yīng)在考慮實(shí)際噪聲水平的基礎(chǔ)上，對(duì)共模噪聲、差模噪聲干擾權(quán)重進(jìn)行測(cè)量[5]。從基本結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，開關(guān)電源EMI濾波器是一個(gè)由幾種參數(shù)元件構(gòu)成的四端無源網(wǎng)絡(luò)，包括差模電感、共模電感線圈、共模電容、差模電容器幾個(gè)部分，若將EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)放入電源輸出端，則共模電感線圈與共模電容可以構(gòu)成交流進(jìn)線上若干對(duì)獨(dú)立端口的低通濾波器，衰減開關(guān)電源交流進(jìn)線上存在共模干擾噪聲，并對(duì)共模干擾噪聲、開關(guān)電源設(shè)備間通道造成一定約束。而共模電感線圈可以用于進(jìn)行開關(guān)電源交流進(jìn)線上共模噪聲衰減，其大多在閉合磁路鐵氧體磁芯上同向卷繞數(shù)量一致的匝數(shù)與開關(guān)電源電路連接，在共模電感線圈內(nèi)開關(guān)電源電流所產(chǎn)生磁通可以相互抵消，且線圈電感值在共模狀態(tài)下處于一個(gè)穩(wěn)定不變的較大值，避免磁芯引起的磁通飽和；而差模電感線圈、差模電容器則可以構(gòu)成開關(guān)電源進(jìn)線獨(dú)立端口間低通濾波器，以便給開關(guān)電源交流進(jìn)線上差模干擾噪聲提供一個(gè)約束力，避免開關(guān)電源及相關(guān)設(shè)備受到噪聲干擾。由此可知，開關(guān)電源EMI濾波器具有雙向性能，通過將EMI濾波器插入開關(guān)電源、電網(wǎng)間，可以在兩者間EMI噪聲處增設(shè)一阻斷屏障，達(dá)到雙方向抑制EMI噪聲的目的。

首先，進(jìn)行干擾源等效阻抗共模噪聲、電網(wǎng)等效阻抗的測(cè)量。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要在理論知識(shí)、專業(yè)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下，進(jìn)行電源PCB板制作，從共模噪聲、差模噪聲源、干擾途徑差異入手，進(jìn)行精確測(cè)量。

其次，進(jìn)行沒有增加EMI濾波器前開關(guān)電源干擾噪聲頻譜測(cè)量，并利用噪聲分離器，將共模噪聲、差模噪聲分離。隨后進(jìn)行共模噪聲、差模噪聲干擾頻譜制作。在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算：

在具體計(jì)算過程中，測(cè)量共模噪聲及差模噪聲均已測(cè)得，標(biāo)準(zhǔn)共模噪聲及差模噪聲可以參考傳導(dǎo)EMI干擾國(guó)標(biāo)設(shè)定值。而考慮到用于開關(guān)電源噪聲分離器測(cè)量值均較實(shí)際值大3 dB，因此需要加上3 dB。

最后，開關(guān)電源EMI濾波器元件參數(shù)設(shè)計(jì)。在共模參數(shù)選取時(shí)，考慮到其容量超標(biāo)極易導(dǎo)致漏電流過大，因此應(yīng)依據(jù)公式（3）進(jìn)行對(duì)地漏電流Iy核算，具體公式為：

其中，Cy為電容，f、Vc分別為電網(wǎng)頻率（50 Hz）、電容壓降（110 V）。基于此，若設(shè)定Iy為0.160 mA，則電容大約為2 300 pF，將電容數(shù)值代入式（3）中，可以獲得共模噪聲值。同理，在差模參數(shù)選取時(shí)，設(shè)定漏感量值超出共模電感量值0.60%～1.90%。

3.3 安裝應(yīng)用

考慮到開關(guān)電源EMI濾波器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要在外殼、系統(tǒng)地間具有良好電氣連接，因此，為避免接地線過長(zhǎng)導(dǎo)致接地電阻、電感增加，應(yīng)盡可能縮短接地線長(zhǎng)度，將EMI濾波器盡可能與開關(guān)電源入口處接近。此外，在EMI濾波器內(nèi)電容器引線設(shè)置時(shí)，應(yīng)盡可能縮短電容器引線，避免引線感抗、容抗在低頻率環(huán)境中出現(xiàn)諧振。在這個(gè)基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能增加EMI濾波器輸入線、輸出線間距離，避免兩者間出現(xiàn)耦合，應(yīng)用后效果如圖1所示。

圖1 EMI濾波器應(yīng)用后噪聲變化

由圖1可知，開關(guān)電源EMI濾波器是一種有效的傳導(dǎo)干擾抑制手段，其是一種無源低通互易性濾波器，可以無衰減將交流電傳輸至開關(guān)電源，降低隨交流電流入EMI噪音及電源設(shè)備產(chǎn)生EMI噪音。

4 結(jié) 論

開關(guān)電源中采用EMI濾波器不僅可以防止外來電磁噪聲干擾電源設(shè)備本身控制電路及負(fù)載運(yùn)行，而且可以抑制開關(guān)電源本身產(chǎn)生的EMI或由其他設(shè)備產(chǎn)生經(jīng)電源傳播的EMI，保證開關(guān)電源及相關(guān)設(shè)備安全運(yùn)行。基于此，相關(guān)人員可以根據(jù)開關(guān)設(shè)備特征，從共模、差模傳導(dǎo)入手，結(jié)合EMI濾波器原理，進(jìn)行開關(guān)電源EMI濾波器的恰當(dāng)設(shè)計(jì)，并使用盡可能短的電容器引線，將開關(guān)電源EMI濾波器安裝在適當(dāng)位置，保證EMI濾波器優(yōu)良效用的充分發(fā)揮。