于洪政 遼寧錦州渤海大學工學院

開關電源EMI濾波器的設計

于洪政 遼寧錦州渤海大學工學院

本文主要是對產生開關電源中引起電磁干擾的因素進行了介紹，設計開關電源電磁干擾（EMI）濾波器模型從而對噪聲傳播方式進行了分析，濾波器設計的基礎主要是圍繞著濾波器相應的開關電源對應的工作頻率，計算簡單，開關電源的工作頻率不同，那么就會對應著不同的濾波器，接著本文介紹了相關的實例，進而說明設計的可行性。

濾波器 EMI 開關電源

開關電源的主要特征是高頻率以及高效率，另外還包括了高功率密度以及高可靠性。但是因為開關器件的工作狀態(tài)是高頻通斷的，從而造成了EMI情況惡劣。防止電磁干擾的方法可以分為三種，具體包括了接地、濾波以及屏蔽等。常常如果只選擇屏蔽的方式，是無法起到防護電磁干擾的目的，其中最重要的手段就是選擇濾波器的增加，從而將電磁干擾中沿著信號線進行切斷，也可以選擇切斷電源線傳播線，進而達到防電磁的目的。

1 開關電源EMI原理

1.1 分析干擾信號

干擾產生于開關電源中，根據噪聲干擾源從而進行分類，主要包括諧波干擾與尖峰干擾等，如果根據耦合通路進行分類的話，那么包括了輻射干擾與傳導干擾。目前的是根據噪聲干擾源進行分類的。

①開關管。將脈沖電流通過開關管中，如果電流過大，那么很容易出現矩形波，這個脈沖電流流通過的變壓器與該波形形成的短路電流所用到的導線的時候會與電感之間形成電磁場，進而產生了噪聲源；②高頻變壓器。關斷最初導通的開關管，高頻變壓器就會形成關斷電壓尖峰的情況，進而出現傳導干擾的現象；③電感器、電容以及導線。開關電源因為工作頻率很高，從而低頻元器件的特點會因此發(fā)生改變，從而形成了噪聲。

1.2 干擾信號頻段分析

如果開關電源諧波電平的工作頻率是超過30MHz的高頻段時候，主要的表現形式是輻射干擾，如果開關電源中的諧波電平是處于低頻段的時候，范圍是從0.15MHz到30MHz，那么所展現的形式就是傳導干擾。

傳導干擾電流根據流動的路徑包括了兩種：分別是差模干擾電流和共模干擾電流。其中開關電源的差模干擾以及共模干擾彼此對應著頻段是不同的，截止頻率里面大概包括了3個頻段，分別是小于0.5MHz，這個范圍中的具體代表的是抑制差模干擾，而處于0.5MHz到1MHz之間的，共模與差模干擾是相互存在的，其中處于1MHz到30MHz之間的主要是圍繞著抑制共模。

2 EMI濾波器建模

連接開關電源和交流電網，雖然開關電源作為一個單端口網絡的形式存在，然而AC端口有兩個，開關電源的主要形成部分包括了中線（N）、地線（E）以及相線（L）等。因此在具體的分析過程中把噪聲源分為差模以及共模和噪聲源。共模電流ICM特點是采用同樣的幅度，在通過所有的AC線的時候，選擇的是同樣的相位。差模電流IDM特點是是在中線和相線之間來回。EMI濾波器衡量干擾噪聲抑制能力選擇的方法是Insertion Loss，也就是所謂的插入損耗。插入損耗含義是當濾波器不存在時，從濾波器接入到負載的功率P1接收噪聲源以后與負載接收到的噪聲源功率之間的比值。接入濾波器的前后過程的電路圖如圖1，圖2所示。一般所用到的EMI濾波器結構具體包括了許多，濾波器結構電路如圖3所示。IL=DB(P1/ P2)=10lg(P1/P2)，P1=V21/RL

圖1 未接濾波器等效電路

圖2 濾波器接入前等效電路圖

3 EMI濾波器設計

3.1 選擇電容和電感

圖3 濾波器接入后等效電路圖

通常的EMI濾波器里面的電容包括了兩組，也就是有著共模抑制作用和差模抑制作用的兩種，這兩種分別在電源線間和地間。X電容的額定電壓需要保持和電網電壓是一樣的，而且可以選擇更大的容量，其中的典型值是0.2至1μF之間。當Y電容在合理的取值范圍之間，Y可以不斷增大，然而Y電容會造成人員電擊的后果，因此需要限制控制最大漏電電流Ig，不同的產品規(guī)定了不同Ig值，通常下lg的值是從0到3mA之間變化。那么Y電容可以取到的容量最大值能夠通過下面的公式計算得出：

公式中的Um表示的是電網電壓。單位是V；fm表示的是電網頻率，單位是Hz；Ig表示的是接地漏電流的可接受值，單位是mA。

3.2 EMI濾波器設計步驟

EMI濾波器需要有很好的工作特性，那么中選擇元件的時候就要考慮到多方面因素。一般情況下選擇的差模濾波電容是金屬膜電容，其電容值比較大，自諧振頻率的范圍通常是1MHz到2MHz，在差模干擾信號的頻率很低的情況下以起到很好的抑制作用，設計的過程中一般選擇的值是從0.1mF到1mF為止。其中共模濾波器電容選擇的是瓷片電容，自諧振頻率達到了20MHz，因此在共模干擾信號中有著很好的抑制作用，而且在設計的過程中取值一般是從2300pF到6900pF之間。C2中形成的漏電流Iid計算公式如公式2所示。

公式2中的f代表的是電網頻率；

C代表的是共模濾波電容，是C2的2倍；

U代表的是C2所可以承受的電壓，大小是110V。

3.3 分析實例

下面介紹的是開關電源的EMI濾波器的設計過程，其中該開關電源的頻率是160kHz。

圖4 濾波器示意圖

①抗共模干擾濾波器中的相關元件值計算。對于開關頻率是160kHz來說，fCM選擇的是30kHz。當C2取值是4800pF的時候，那么按照公式2，可以得出對應的Lid的值是等于0.67mA，Iid的值是比1.0mA小的，這個時候的C2是在正常的范圍之內的。根據公式Iid=2C2fCM，代入C2以及fCM進行運算，從而能夠得出L1的值是等于6.76mH。②抗差模干擾濾波器相關的元件值計算。根據開關頻率所取得是160kHz，fDM選擇的是16kHz，CDM是等于0.478μF。把fDM以及CDM代入到公式Iid=CDM/fDM中，能夠知道LDM的值是為250μH。L1漏感的計算過程中，漏感和L1之間的關系是1%，所以L漏感等于67.6μH。接著再把LDM和L漏感相應的值代入到公式Iid=LDM/L中，從而可以得到L2的值是等于86.27mH?；谏厦娴倪\算后，能夠得出EMI濾波器相關元件對應的數值，接著濾波器示意圖如圖4所示。

結語：不管是運用在測試濾波器中還是運用在接入濾波器中，接入的都并非是純電抗，因此會產生實際接入阻抗和特性阻抗之間相互不匹配現象出現，因而無法獲得所需要的衰減特征。要防止這種情況，就需要將阻抗匹配網絡添加在具體的應用和濾波器的測試過程中。本文所提到的方法實現的EMI濾波器在一定程度上大大地抑制了噪聲，而且對開關電源傳導干擾因素大大地降低了。因為EMI濾波器的運用場合是不相同的，而且當處于高頻的時候元件之間會形成寄生的效應，設計結果和實際運用效果之間是無法達到全部吻合的，尤其是當有EMI濾波器接入的時候，設備阻抗大小和產生的效果之間有著很大的關聯。因此具體的應用情況不同，尤其是處于高頻的狀態(tài)下，依然要具體優(yōu)化EMI濾波器。在運用的過程中如果添加了屏蔽盒，外接線減少，那么能夠獲得很好的EMI濾波器使用效果。

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