（电磁场与微波技术专业论文）开关电源emi滤波器研究.pdf

摘要 摘要 开关电源e m i 滤波器作为开关电源的辅助器件，可以有效地抑制开关电源的 共模噪声和差模噪声，同时滤除开关电路和整流电路中产生的各种尖峰干扰信号。 本文主要基于t d k 公司提供的元器件高频模型，提出一个改进型二阶无源e m i 滤波器结构，应用p s p i c e 软件对其进行了详细的仿真分析，讨论了源、负载阻抗 特性和接地位置的选取对滤波器插入损耗的影响，利用简单l c 谐振电路极大的提 高了无源滤波器的低频、高频插入损耗，滤波效果明显优于混合e m i 滤波器。 混合e m i 滤波器作为开关电源e m i 滤波器的主流发展趋势，弥补了无源和有 源滤波器的缺点，同时结合了两者的优点，本文也对其进行了一定的理论上的仿 真，取得了一些初步的结论。 关键词：开关电源e m i 滤波器谐振寄生效应 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ea u x i l i a r yd e v i c eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , t h ee m ip o w e rf i l t e rc a l l e f f e c t i v es u p p r e s st h ec o m m o nm o d en o i s ea n dd i f f e r e n t i a lm o d en o i s e ，f i l t e rt h es p i k e i n t e r f e r e n c ew h i c hp r o d u c e db ys w i t c hc i r c u i ta n dr e c t i f i e ra sw e l l t h i sp a p e ri sb a s e d o nt h eh i g h f r e q u e n c ym o d e ls u p p l i e db yt d kc o m p a n y ，t h e nab e t t e r2s t a g ep a s s i v e e m if i l t e ri sp r o p o s e d ，w i t ht h eh e l po fp s p i c es o f t w a r e ，ad e t a i l e ds i m u l a t i o ni sd o n e w h i c hm a i n l yf o c u s e do nt h ei m p e d a n c ep r o p e r t yo fs o u r c ea n dl o a da n da l s ot h e g r o u n d i n g l o c a t i o nt h a ta f f e c tt h ei n s e r t i o nl o s so ff i l t e r , b yu s i n gas i m p l el cr e s o n a n c e c i r c u i t ，t h ei n s e r t i o nl o s so ff i l t e rb o t ha tl o w a n dh i g hf r e q u e n c yi sg r e a t l yi n c r e a s e d ，i t s c a p a b i l i t yo ff i l t e r i n gi sm u c h b e t t e rt h a nt h a to fh y b r i de m if i l t e r h y b r i de m if i l t e ri sn o w a st h em o s tp o p u l a rs m p se m if i l t e r , i tr e m e d i e st h e d e f e c to fp a s s i v ea n da c t i v ee m if i l t e ra n da l s oc o m b i n et h ea d v a n t a g eo fb o t h t h i s p a p e r t a k e ss o m es i m u l a t i o no fi t ，m e a n w h i l ei to b t a i n ss o m ep r e l i m i n a r yc o n c l u s i o n s k e y w o r d ： s m p se m if i l t e rr e s o n a n c ep a r a s i t e s 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：之蜀圭盥日期剧翌：三：! z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：z 蜀生丝甄日期丝丝：主：纽 导师签名：之墨塞基日期型! 竺：! ：z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，可靠高效的电源对于任何电子设备来说都是不可或缺的。电子设 备向着小型化、低成本化化发展，传统的晶体管串联调整稳压线性电源的局限性 越来越突出，体积大、笨重、效率低等缺点使其已经很难满足现代电子设备发展 的要求。2 0 世纪5 0 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发 了开关电源，在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效 率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术设计制造的连续工作的线 性电源，广泛应用于电子、电气设备及家电领域。开关电源大量应用于交流电网 场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率之外，还增 加了大量高次谐波。同时开关电源由于采用功率半导体器件作为开关管，其高速 通断在电路中产生了很强的尖峰干扰电压、电流，而且谐波分量丰富，形成传导 性电磁干扰，严重影响了邻近电子设备的正常工作，同时由于这一缺点，开关电 源无法应用于一些精密的电子仪器。美国是世界上最先感受到电磁污染引起潜在 问题的国家之一，为了减小、抑制和消除电磁干扰，美国联邦通讯委员会( f c c ) 在上世纪八十年代初就制定了强制实施的控制电磁干扰的极限以及相应的标准 ( m i l s t d 4 6 1 b 等) 。近几年，我国也在逐步等同采用或者等效采用美国相关 标准，并制定了我国的国家标准( g j b l 5 1 8 6 等) ，把电磁兼容问题也提到了议 事日程上。传导干扰主要包括设备信号线传导干扰、接地线共地阻抗干扰以及电 源线传导干扰，其中电源线传导干扰的抑制非常重要而又最为薄弱。根据i b m 公 司的长期观察统计表明：严重威胁电气、电子设备安全可靠工作的起因中，8 8 5 是来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲。同时，由于电源线e m i 信号具有幅度大、 频谱宽等特点，而且其中夹杂大量的瞬态大电压和浪涌电流，这些因素使电源线 传导干扰的抑制较难控制。 本文以开关电源及其e m i 滤波器为研究对象，详细分析了开关电源电路中传 导性电磁干扰的产生机理及对应的抑制措施，同时考虑滤波器源、负载阻抗特性 对插入损耗的影响，滤波器元器件均采用t d k 高频寄生参数模型，不同于以往电 路仿真过程中使用的理想电容、电感模型，因而使得仿真更贴近实际应用；致力 于分析二阶无源e m i 滤波器，通过改变元器件的阻抗特性极大的提高了滤波器低 频滤波性能，甚至可与有源e m i 滤波器相媲美。 开关电源e m i 滤波器研究 1 2 开关电源e m i 滤波器的发展概况 在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器的应用最为广泛，技术也最为复 杂。滤波器性能的优劣直接决定了产品的优劣，因而对滤波器的研究和生产越来 越受重视。国外在滤波器技术研究起步较早，1 9 1 7 年美国和德国科学家分别发明 了l c 滤波器，5 0 年代初无源滤波器日趋成熟。自6 0 年代起由于计算机技术、材 料工业和集成工艺的发展，滤波器的发展上了一个新的台阶，向着低功耗、小体 积、高精度和稳定可靠及低廉方向努力。1 9 6 6 年，我国第一个干扰标准是由原第 一机械工业部制定的部级标准j b - 8 5 4 6 6 船用电气设备工业无线干扰端子电压测 量方法与允许值。到2 0 世纪八十年代，我国的电磁兼容理论才逐渐发展起来， 随着近几年的发展，e m i 滤波器技术有很大的提高。 e m i 滤波器与一般滤波器不同，它所关心的使用环境及输入电流中成分与其 它滤波器不同，近几十年来，滤波器的发展越来越快。1 9 8 8 年c l a y t o nr p a u l 采 用一种特殊装置将电源线中的传导电磁干扰即共模、差模干扰信号分离出来，通 过实际测量的干扰信号的频谱来确定e m i 滤波器的元器件参刻2 1 。1 9 9 8 年，b y r o n g a r r y 等人通过测量和仿真分析一种e m i 电源滤波器源阻抗和负载阻抗特性对滤 波器的插入损耗的影响 3 1 ，2 0 0 4 年，s h u ow a n g 提出使用s 参数对e m i 滤波器特 性进行描述【4 1 。同年，他又提出了通过s 参数提取e m i 滤波器中的寄生参数【5 1 。 之后s h u ow a n g 发现了几种消除自耦合和互耦合的方法可以提高滤波器的高频特 性【6 l 。另外，他还用等效电路的方法消除e m i 滤波器中电容的等效串联电感( e s l ) 和电感的等效并联电容( e p c ) ，其在e m i 滤波器性能中起着重要的作用1 7 儿引，但 这只是元器件理想情况下的一种理论仿真，真正要做到消除e s l 和e p c ，需要在 元器件制作工艺和材料上进行改进。s h u ow a n g 经过试验，发现元器件之间的互耦 合在差模e m i 滤波器中起主导作用，但是消除互耦合的措施之间会有冲突，于是 他总结了一些比较通用的不会发生相互影响的e m i 滤波器优化措施【9 】。由于无源 e m i 滤波器在低频段噪声抑制能力较差，同时易受元件高频寄生参数的制约，因 而有人提出了有源e m i 滤波器。1 9 8 8 年，l l a w h i t e 和m f s c h l e c h t 描述了有源 e m i 滤波器的基本结构i l 。1 9 9 4 年t h o m a sf a r k a s 和m a r t i nf s c h l e c h t 验证了有源 e m i 滤波器结构应用的可行性【l 。2 0 0 6 年w e n j i ec h e n 提出有源e m i 滤波器和无 源e m i 滤波器相结合，极大的降低了滤波器传导性电磁干扰，提高了滤波器的整 体性能【1 2 1 ，同年，y o c h a ns o n 等人分析了各种a e f 的插损和源和负载阻抗特性的 关系，以及如何根据不同的应用选择滤波器【l3 。2 0 0 7 年，w e n j i ec h e n 介绍了混合 e m i 滤波器的几种拓扑结构下滤波器的插入损耗问题【1 4 1 ，但整体滤波器效果并不 是很好，要么工频附近插损太大，要么在某些频段插损出现负值。2 0 0 8 年，w e n j i e 第一章绪论 c h e n 等人经过试验发现使用电流补偿的a e f 适合用于消除高阻的共模干扰，电压 补偿的a e f 适合于消除低阻的差模干扰【l 习。在开关电源e m i 滤波器设计过程中， 无源滤波器在高频段有很好的滤波能力，但在低频尤其在工频5 0 6 0 h z 附近插损 很低，抑制噪声能力有限，而有源滤波器在低频段可以获得很高的插损，因而混 合e m i 滤波器成为当今开关电源e m i 滤波器的主流发展趋势【l6 1 。但是，有源滤波 器必然引入有源器件，而有源器件本身也是一种噪声源，同时，混合e m i 滤波器 虽然在低频段有很高的插损，但是对于工频信号，即有用信号并没有体现很好的 低通滤波性能，较高的插损在很大程度上衰减了有用信号，传统的无源滤波器在 工频附近插损很小，本文通过分析改变源及负载阻抗特性，一定程度上可以弥补 无源滤波器在低频段滤波能力差的缺点。 1 3 本文的主要内容 本文主要介绍了开关电源e m i 滤波器的设计，具体论文安排如下：第二章介绍 了开关电源电磁干扰产生的机理及如何利用本文提出的基于t d k 高频模型的二阶 无源e m i 滤波器对干扰信号的抑制。第三章详细分析了e m i 滤波器的高频非理想 特性，对滤波器的插入损耗基于源、负载阻抗特性进行了理论分析。第四章简单， 介绍了混合e m i 滤波器的结构以及滤波器的集成技术的发展。第五章介绍了滤波 器的测量、安装和一些实用的e m i 控制方法。 主要工作及贡献： 1 ) 滤波器元器件模型采用t d k 公司提供的模型，该模型考虑了元器件的高频寄 生参数，论文中所有理论仿真均是基于该模型建立的滤波器电路，因而仿真结 果更具有真实性。 2 ) 基于典型e m i 滤波器结构，提出在源阻抗添加串联电感，地线已有滤波电感 的基础上在相线再添加一个滤波电感，很好的提高了滤波器的高频插损。将铁 氧体磁环加入滤波器，一定程度上也提高了高频插损。 3 ) 以一个典型的开关电源电路作为干扰源，利用p s p i c e 软件详细的分析了e m i 滤波器如何对其共模、差模干扰信号进行抑制，同时很好的滤除了开关电源输 出信号中的尖峰干扰信号，说明该滤波器结构的有效性。 4 ) 分析了滤波器源及负载阻抗特性对插入损耗的牵引作用，考虑各种情况下寄生 参数对插损的影响。 5 ) 首次提出利用l c 谐振电路，它极大的提高了滤波器的滤波性能。 6 1 滤波器接地位置对插入损耗的影响。 7 ) 分析一种混合e m i 滤波器结构的有效性。 第二章开关电源传导性电磁干扰分析 第二章开关电源传导性电磁干扰分析 2 1 开关电源电磁干扰产生的机理 开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点，已经广泛 应用于工业、国防、家用电器等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合， 整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率因数外，还大大增 加了大量的高次谐波。同时，开关电源中的功率开关管的高速通断( 从几十千赫 兹到数兆赫兹) 形成了高频干扰源，其交流电压和电流会通过电路中的元器件产 生很强的尖峰干扰和谐振干扰。在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和 近场辐射干扰，这些干扰严重污染了电源网络，影响了邻近电子设备的正常工作。 同时由于这一缺点，开关电源无法应用于一些精密的电子仪器中，因此尽量降低 开关电源的e m i ，提高其使用范围，是从事开关电源设计时必须考虑的问题。 1 ) 开关管产生干扰 开关管导通时由于开通时间很短及回路中存在引线电感，将产生很大的d u d t 和很高的尖峰电压；开关管关断时间很短，也将产生很大的d i d t 和很高的尖峰电 流，其频带很宽而且谐波丰富，通过开关管的输入输出线传播出去形成传导干扰。 而谐波和寄生振荡的能量通过输入、输出线传播时，都会在空间产生电磁和磁场。 这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。 主开关管是开关电源的核心器件，同时也是干扰源，其工作频率直接与e m i 的强度有关。随着开关管频率的升高，开关管电压、电流的切换速度加快，其传 导干扰和辐射干扰也随之增加。在开关电源工作过程中，由初级滤波大电容、高 频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路。开关管的负载时变压器初 级线圈，是一个感性负载，所以开关管通断时在高频变压器的初级线圈两端产生 尖峰噪声，轻者造成干扰，重者击穿开关管。开关管以高频开关方式工作时，开 关电压及开关电流均接近方波。从频谱分析可知，方波信号含有丰富的高次谐波， 该谐波的频率可达方波频率的1 0 0 0 倍以上。 2 ) 整流二极管反向恢复电流引起的噪声干扰 由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，二极管导通角变小，输入 电流成为一个时间很短，峰值很高的尖峰电流，同样含有丰富的谐波分量，对其 它器件产生干扰。二级滤波二极管由导通到关断时存在一个反向恢复时间，因而 在反向恢复过程中由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压 尖峰，同时产生反向恢复尖峰电流，形成干扰源。 6 开关电源e m | 滤波器研究 3 ) 高频变压器、电感引起e m i 问题 开关电源中有输入滤波电感、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离 变压器初、次级之间存在寄生电容，这样高频干扰信号很容易通过寄生电容耦合 到次级电路，同时由于绕制工艺问题在初、次级出现漏感将产生电磁辐射干扰。 另外，功率变压器电感线圈中流过脉冲电流而产生电磁辐射，而且在负载切换时 会形成电压尖峰。 开关电源一般采用储能电感和电容组成l c 滤波电路，实现对差模及共模干扰 信号的滤波。由于电感线圈存在分布电容，电感线圈的自谐振频率降低，从而使 大量的高频干扰信号穿过电感线圈，沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波 电容器随着干扰信号频率的上升，由于引线电感的作用，导致电容量及滤波效果 不断下降，甚至导致电容器参数改变，这也是产生e m i 的一个原因。 4 ) 二次整流回路干扰 理想的二极管在承受反向电压时截止，不会有反向电流通过，而实际上二极 管正向导通时，其p n 结内的电荷被积累。当二极管承受反向电压时，p n 结内积 累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素 有关，开关电源工作时二次整流二极管、变压器次级线圈和滤波电容形成高频回 路，向空间辐射噪声。 5 ) 元器件的寄生参数引起的噪声 开关管的集电极与散热片之间虽然有绝缘垫片，但由于其接触面积大，绝缘 垫较薄，因而两者之间高频时存在分布电容。开关管集电极的高频电流通过分布 电容到散热片上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连的交流电源保护地线中， 进而产生共模干扰。共模干扰主要通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关 电源与散热器之间的分布电容传输。 6 ) 电源线引入的电磁噪声 开关电源外部干扰主要以共模干扰和差模干扰方式存在。干扰类型从持续很 短的尖峰干扰到完全失真进行变化，其中也包括电压变化、频率变化、波形失真、 持续噪声以及瞬变等。能够通过电源进行传输并造成设备损坏或影响其工作的电 磁干扰主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波。其中共模干扰定义为任何载流导 体与参考地之间不希望有的电位差，即相线、中线与地线之间干扰电压；差模干 扰定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差，也即相线和中线之间的干 扰电压。 2 2 开关电源p s p i c e 仿真电路 如图2 2 所示，为一典型的直流变换式他激单边型开关电源电路【1 8 l ，电网电压 第二章开关电源传导性电磁干扰分析 7 接线性阻抗稳定网络( l i s n ) ，其对于工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) ，电感感抗很小，电容 容抗很大，因而交流信号可几乎无衰减的通过l i s n ，而来自电网的高频信号可很 好的被阻隔，经过桥式整流器整流后得到直流电压并加在高频变压器初级线圈和 开关管上。开关管m 1 基极输入一个1 0 0 k h z 的高频矩形波，其重复频率和占空比 由直流输出电压的要求来确定。被开关管放大的脉冲电流由高频变压器耦合到次 级回路。高频变压器初次级匝数比也是由直流输出电压来确定的。高频脉冲电流 经二极管整流和电容滤波后变成所需的直流电压。 ”、， fl 22 i r l 1 孚 i j 一- - - - 二j 一- ， 7 2 - 1 兰 广 f 午1i 、卜j 7、 i 2 玉 、。 、f 厂j t u f = = o u i ? 。毒 n li ， l 、 ll 一j 图2 1 直流变换式他激单边型开关电源电路 共模干扰主要为相、中线干扰电流通过m 1 漏极与散热片之间的耦合电容通 过接地线形成回路，差模干扰则在相线与中线间形成回路，具体传导路径参看图 2 1 ，虚线为差模传导路径，实线为共模干扰路径。 2 3 共模、差模干扰信号的分离与抑制 在传导e m i 测试中，l i s n 是不可缺少的测量仪器，图2 2 是典型的l i s n 电 路结构图，对于工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 电感短路，电容相当于开路，因而市电可以 顺利的通过l i s n 到达s m p s ，而对于高频干扰信号，电感如同开路，电容如同短 路，噪声则被1 u f 电容短路到地。 l_ 芒匹! 1 5 0 洲 酣i d 一： l n c i l 5 0 洲 辞01 0 1 ui l i = s m p s 2 2 0 v i l i f +f i l _ 2 2 宁 u lj： 蠊；l i e 1 一l ? 哆： 一 j l j 图2 2l i s n 电路图 丹戈电源e m i 滤波器研究 如图22 所示，为典型的线性阻抗稳定网络，这m 利用p s p i c e 电址探头通过 l i s nu j 以很容易的分离共模、差模信号。 探头探测到的电压由相线或中线电流流过5 0 n 电阻形成的【”i 具体表达式为： u = ，l 5 0 = u m + u 删 ( 2 一” u = + 5 0 = u ( 一u m ( 2 2 ) 在p s p i c e 中利用简单算法可以分离出共模与差模噪声，如图23 所示，共模噪 声低于3 0 卯u v ，差模噪声低于5 0 d b u v 。 一- 恶”，”s 。“一= ”一 ( a ) 麸模噪声 ( b ) 差模噪声 图2 3 分离出的共模，差模噪声 第二章开关电源传导性咀磁干扰分析 9 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 。司以得到： = ( u l + u n ) 2 ( 2 - 3 ) u 脚= ( u l u n ) 2 这里我们只是理论上应用p s p i c e 软件中的电压探头对共模、差模干扰信号进 行分离，并没有做出实物进行实测。在有些参考文献中为了很好的分离共、差模 信号而人为的添加了差模抑制网络【18 1 ，但通过公式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 发现只需进行一些 简单的调整就可以很好分离出干扰信号。 2 4 开关电源e m i 滤波器应用 滤波是抑制干扰的一种很有效的措施，尤其是对开关电源e m i 信号的传导干 扰和辐射干扰来说更是如此。任何电源线上的传导干扰信号均可用共模和差模信 号来表示。一般情况下，差模干扰幅度小、频率低，所造成的危害较小；共模干 扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射干扰，所造成的危害较大。因此， 要消弱传导性电磁干扰，将e m i 干扰信号电平控制在相应的e m c 标准规定的极 限电平之下，其中最有效的方法就是在开关电源的输入和输出端添加e m i 滤波器， 本文只采用在开关电源输出端添加e m i 滤波器，分析e m i 滤波器对传导性电磁干 扰信号的抑制作用，如图2 4 所示为本文提出的二阶无源e m i 滤波器： 1 l _ j t l l r 1 1 ， + j 厂 孔c ) 【i ；r l 叫：卜- f 5 一 v n l i t 船舶l u j _ 厂 - 增螂l 瑚- s 上 睁iu 埘州 s h 擞嘲i f 删p f n l s c 炉i l ji 赢【) + 卜。 j j 阻 。 ；f v i r 兰骞i 一：c ”! 护 一8 五一 l 靴啪嘲脚要3 r h 图2 4 开关电源e m i 滤波器结构 参阅资料发现，如果将开关电源e m i 滤波器置于电网电压输入端，可以很好 的滤除来自交流电网的传导性电磁干扰【1 8 】【1 9 】，仿真后发现，并没有滤除开关电 源电路中的传导性共、差模电磁干扰和输出信号中的强尖峰干扰，因此有必要在 开关电源输出端添加e m i 滤波器用来进行干扰抑制，如图2 4 即本文提出的开关 电源相对应的二阶无源e m i 滤波器结构，其中开关电源输出：d c 3 0 v 1 。 开关电源e m i 滤波器研究 表21 滤波器元件列表 元什数值 c x ( 差模电容) c y ( 兆模电容) c 1 6 0 8 c o g l h 2 2 ” 2 2 0 0 p f c mf i l t e r 【z c l = 1 2 0 0a ti c om h z f e r r i t eb e a d s ( 铁氧体磁环1 【z c 】= 1 2 0 0a t1 0 0 m h z l s ( 濂阻抗串联电感) n l c v 2 5 t - i r o m - p f r l w ( 地线电感) n l 5 6 5 0 5 0 1 ：1 2 2 1 - p fl = l2 m ha t02 5 2 m h z 在丌关电源( s m p s ) 输出端加装e m i 滤波器，对比输入输出电压信号，可以 发现e m i 滤波器可以很好的滤除开关电源产生的高频干扰信号，如图2 5 所示： ( a ) 输入输出电压比较 ( b ) 局部放大 图2 5 加装滤波器后输入输出电压比较 第二章开关电源传导性电磁干扰分析 如图2 5 ( a ) 所示，开关电源输出电压信号经过e m i 滤波器后几乎没有衰减， 对图2 5 ( a ) 局部放大如图2 5 ( b ) 所示：输出信号尖峰干扰完全滤除，同时由于该滤 波器元器件采用t d k 模型，均考虑了元件高频寄生参数的影响，因而更贴近实际 的工程应用。注：一般开关电源设计在变压器次级都有尖峰抑制器【l 引，但输出纹 波电压稍大，若去除尖峰抑制器直接使用该滤波器后纹波电压减小约8 0 。 为了验证滤波器对c m 、d m 噪声的抑制作用，我们可以在滤波器负载输出端 添加图2 2 所示l i s n ，分离出共模、差模噪声，如图2 6 所示： t t i 莹 ( a ) 共模噪声 t ( b ) 差模噪声 图2 6 后置l i s n 分离出的共模、差模噪声 1 2 开关电源e m i 滤波器研究 如上图所示，共模噪声最大值为3 2 d b u v ( 1 m s ) ，在时域分析7 m s 后出现负值。 差模噪声电平最大值为3 9 4 d b u v ( 1 m s ) ，时域分析3 m s 后出现负值，说明在滤波器 输出端共模、差模噪声得到了很好的衰减。 2 5 小结 本章主要以一个典型的开关电源电路为例，详细分析了其产生传导性电磁干扰 的机理，然后以本文提出的基于t d k 高频元件模型的二阶无源e m i 滤波器对开关 电源产生的尖峰干扰信号进行滤除，同时很好的抑制了共、差模干扰信号，进一 步验证了该滤波器结构的有效性。 第三章e m i 滤波器高频1 f 理想特性分析 第三章e m i 滤波器高频非理想特性分析 3 1t d k 与t d k 元件高频模型 t d k 股份有限公司，英文名称t d kc o r p o r a t i o n ( 法定公司名称：t d k 株式会 社) ，公司总部位于日本东京，成立于1 9 3 5 年。作为世界著名的电子工业品牌， t d k 一直在电子原材料及元器件上占有领导地位。其产品广泛应用于资讯，通讯， 家用电器以及消费型电子产品，如移动电话，笔记本电脑，d v d h d d 录影机，平 面显示器，汽车及其导航系统等。成立于1 9 3 5 年的t d k ，早于上世纪6 0 年代已 在台湾建立合资企业，其后在香港设立销售网络及生产线。从8 0 年代丌始，t d k 正式踏足中国大陆，2 0 年来分别在华东及华南多个地区相继建立生产基地，业务 扩展全国。 为了方便客户的需求，t d k 公司在其网站上提供各种电子元器件的模型下 载，如铁氧体磁环、电容、电感、共模滤波器等。其精确的元件高频模型建模使 得应用p s p i c e 电路设计软件进行仿真可以得到更准确的结论。配合使用t d k 提 供的s e a t 软件一主要提供元器件的阻抗特性和端口特性，可以很好的进行元器件 的选择。如图3 1 所示，利用s e a t 软件得出的一些元件的阻抗特性。 f5i f i f3 l r2l el fot e lj 2， 3l f f l _ m ，脚 图3 1 元件阻抗特性 6 5 ， 2 ， q 2 0 e e e e e e e ，、l，i_l 1 4 开关电源e m i 滤波器研究 3 1 1 电感的高频非理想特性 由于线圈通常是用导线在圆柱体上绕制而成，因而线圈除了具有与频率无关 的直流电阻r 外，还是一个电感，相邻位置的线圈存在着寄生分布电容c p ，可以 用图3 2 所示的等效电路来描述。 g 此外，绕组与底板屏蔽罩之间，多层绕组的层与层之间，也同样存在着分布电容。 根据这一等效电路，电感的阻抗为： 乙：缸i 一( r t + j c o l ) ：奇筹 仔， r ，+ ，础+ 一 w 厶。尸。，w 。j p 儿l j cp 如图3 3 所示，在低频段，z ，取决于电感，而在直流段( = 0 ) ，电容开路，电感短 路，乙等于r l 。在c o t o o 时，乙呈现容性，阻值随着频率的上升逐渐下降。 以t d k 模型n l c v 2 5 t 一1 r o m p f ( 1 u h ) r 乜感为例进行仿真，观测其阻抗曲线如图 3 4 所示： ( b ) 图3 4 电感高频阻抗特性 图3 4 ( a ) 是依据t d k 公司提供的高频模型在p s p i c e 中的仿真结果，3 4 ( b ) 是依据s e a t 软件直接得到的阻抗曲线，虽然有一定的差异，但总体上反映了电感 的高频寄生效应。 3 1 2 电容的高频非理想特性 电容器又称电容器芯子，是由两个导体( 即极板或称电极) 和隔开它们的介质所 组成。按照介质材料的不同，电容器分为电解电容器、陶瓷电容器、涤纶电容器、 1 6 开关电源e m i 滤波器研究 云母电容器、纸质电容器等种类。和电感器类似，一个电容器也不是一个简单的 电容( 即使在低频段也如此) ，它具有绝缘漏电阻邢、等效引线电阻心和固有电感 4 。在一个相当宽的频率范围内，电容器的特性可以用图3 5 所示电路来等效说明。 幽3 5 电吞等放电路 根据这一等效电路，电容器的阻抗表示为： z c = 心+ j 砒尸+ 丽r p ( 3 4 ) 在直流和低频段，电容器的阻抗接近于漏电电阻r p ，随着频率的增加，电容的电 抗将低于阻值邱，在这一频段，式( 3 4 ) 可以简化成： z c 硼c + 触p + 亩( 3 - 5 ) 理想电容器的阻抗随着频率的升高而降低，而实际电容器的阻抗女i j i n 3 6 所示，当 时，由于固有电感0 的 作用，电容器阻抗乙随着频率的升高而增加，电容器的阻抗将更多地取决于串联 第三章e m i 滤波器高频- l f 理想特性分析 1 7 电感三。 如图3 7 所示，串联电感主要由绕线结构电感l s ，内部引线电感厶，和连接 导线电感k 三部分组成。e m i 滤波电容器内部串联电感厶( t 和厶) 与电容器的大 小和结构有关，通常这一电感约为5 5 0n h 。 l i = l 、一l i 广一一一一一一一_ 一一一_ 一_ l l w c ： l s l i ： 叫h j 价n 卜 i 一j 图3 7 电容器串联电感的组成 由以上分析表明，电感和电容元件都存在高频分布参数，在低频时表现的不 明显，但随着频率的升高，元件特性开始恶化，甚至发生转化即电感元件对外呈 容性，电容元件对外呈现感性。这必然会大大降低设备的功效，甚至失去设备原 有功能，因而我们在选取元件时一定要清楚它的高频寄生参数，最好选取寄生效 应小、自谐振频率高的器件。 3 1 3 电感并联寄生电容的消除 电感器的并联寄生电容( e p c ) 的模型在3 1 1 节已经提过，其基本的高频等效 电路如图3 8 所示。 e p 图3 8 电感器高频等效模型 在滤波电路中，电感都是串联在电路中的。设k 为电感的导纳。电感可以表 示成如图3 9 所示的二端口网络： + 巧。 五rl 一 ，_ 、，一、，一v - 、一 、 ， r 图3 9 二端口网络 + 巧。 1 8 开关电源e m i 滤波器研究 k = _ ，c p + 币面1 ( 3 7 ) = 手i l o ，( 所，玎= l ，2 ) ( 3 _ 8 ) 盼雌黝= ( 歹吗+ 而1 删) ( h 1 2 川- 烈1 俘9 ， 其中k ：，匕。是网络的互导，其中的们尸1 2 代表了电感寄生电容的导纳，它随 频率的升高而增大，影响着滤波器的高频性能，应该想办法消除。若是能找到一 个k ：，k = 删品2 的网络，就可以消除电感的寄生电容。根据网络知识易知图3 1 0 所示的网络满足要求。该网络电压电流的关系如式( 3 1 0 ) 所示。 + j i 。1 2 。 一一 一 v 一 巧。 图3 1 0 满足要求的网络 4 = 暖俚1 2 麓彪1 2 煳j t , v ： l l ”l c p & 灯p ”j 这样消除寄生电容的网络可以表示成图3 1 1 ( a ) 所示的二端口网络。该网络 电压电流的关系如式( 3 1 1 ) 所示。 l l 白 i 一 i 一”l ，2 十 圪 弋 2z 吒 _ 甲，i ，r y y 、，一 弋 一 甜 一 十吒 巧 - - - j 7 1 _ j ( a ) 消除电感分布电容的二端口网络( ”等效电路p 图3 1 l 电容二端口网络及其等效电路 第三章e m i 滤波器高频1 1 卜理想特性分析 1 9 陆 1 2 ( r l + j c o l ) j t o c r + 丽丽1 互导消去了寄生电容，然而在i ，e ：中存在o ，表示两端加上了两个电 容c 尸，构成了一个丌型滤波网络，这对滤波器电路不构成影响。图3 1 1 ( a ) 就可 以等效成图3 1 1 ( b ) 所示电路2 0 1 以差模等效电路分析中的例子为例，考虑电感的分布参数，电感的分布电容 取2 2 n f ，寄生电阻取0 0 1 欧姆。利用p s p i s e 软件，建立仿真电路，如图3 1 2 所示。 c 4 2 2 n ( a ) 未消除电感分布电容的电路 c 3 “ ， 2 2 n ( b ) 采用消除电感分布电容电路 r l 5 0 r l i 几一 杀 至一 p r 吗 丽 2 0 开关电源e m i 滤波器研究 n l v 3 2 t2 2 1 j - p f s ( c ) 未消除电感分布电容t d k 模型电路 r l 卯 ( d ) 消除电感分布电容t d k 模型电路 图3 1 2 电感并联寄生电容的消除 o 2 0 磷l o f o 5 一t l z t , ：2 ) i r “胛 ， 图3 1 3 仿真结果 第三章e m i 滤波器高频1 卜理想特性分析 2 l 仿真结果如图3 1 3 所示，可见采用消除电感分布电容后，低频段变化很小， 但在高频插入损耗有了很大的提高，验证了该理论的有效性；若电容c 1 、c 2 和电 感l 1 、l 2 均采用t d k 模型，这样均考虑了元件的高频寄生参数，得到的插入损 耗曲线在f 1 0 m h z 插损不断减少。通过图3 1 2 ( d ) 可以看出，简单的 利用图3 1 2 ( b ) 的方法根本无法从根本上消除元件的寄生效应，因而前面的理论 分析只是在理想情况下适用。 3 1 4 电容串联寄生电感的消除 在3 1 2 节中提到，电容器存在串联寄生电感( e s l ) 。e s l 在低频段表现的不 明显，但在高频段其作用就会凸现出来。串联寄生电感主要包括以下三个部分的 电感：自身串联电感，引线的电感和连接导线的电感。实际当中考虑分布参数的 电感表示成图3 1 4 的形式。 五珏 。 仁 j 吖n 一卜 图3 1 4 电容高频等效模型 在e m i 滤波器中电容都是跨接在两根线路之间，我们可以利用电路网络知识 来消除电容器的寄生电感和寄生电阻。 图3 1 5 ( a ) 所示是一个基本的交叉网络。该网络的电压电流的关系如式( 3 1 2 ) 所示。其中网络l 的阻抗矩阵为( 3 1 3 ) 所示。不难验证网络2 的阻抗与网络l 相同，这就说明网络l 与网络2 等效。 睁隧胁 z = 22 z l4 - z 2z 2 一z l1 五五 协，2 ， 22 ( 3 1 3 ) 乙一 乙 一一2 + ，i l l z z 乙一 乙 + 一2 一 j 一 2 z z 开关电源e m i 滤波器研究 + 珂 z 1 z l ( a ) 网络l + + 屹 一 ( b ) 网络2 图3 1 5 基本网络结构 由这种电路等效的启发，我们考虑一个交叉型电容电感网络，采用同样的等 效方式，就可将电容器的寄生电感和寄生电阻转换到网络的两边，这样就构成了 一个t 型滤波器的结构。如图3 1 6 ( a ) 所示，水平支路上取电感和电阻量分别与 电容器的等效串联电感和等效串联电阻相等。这样该交叉网络就可以等效成图3 1 6 ( b ) 所示的电路形式。采用该网络结构就可以将滤波器中电容的寄生电感消除【2 0 j 。 4 乩足趼 工肛r 脯胄e 嚣工髭 ( a )( b ) 图3 1 6 电容串联寄生电感的消除变换结构 第二章e m i 滤波器高频非理想特性分析 使用p s p i s e 来验证该方法有效性， r 1l 1l 2 建立电路如图3 1 7 ，结果如图3 1 8 所示。 髓l 3 图3 1 7 消除e s l 验证电路 r l 图3 1 8 仿真结果 从仿真结果来看，该方法有效的消除了滤波器中由于电容等效电感谐振效应 造成的滤波器插损突变现象。 而且在实际当中，电容的等效串联电感和等效串联电阻是一个与温度、频率 和电流都有关的量，不可能做到完全的消除。但是可以采用这种方式极大减小电 容的等效串联电感和等效串联电阻，从而来改善滤波器的高频特性。该方法的难 点在于如何准确的确定电容的寄生电感和电阻，并在串联支路上加等量的电感和 电阻。 2 4 开关电源e m i 滤波器研究 3 2 滤波器的源、负载阻抗特性对插入损耗的影响 3 2 1e m i 滤波器的主要技术指标 e m i 电源滤波器对干扰信号的抑制能力用其插入损耗i l ( i n s e r t i o nl o s s ) 来衡 量。插入损耗定的义为：没有滤波器接入时，从干扰信号源传输到负载的功率只， 和接人滤波器后，从干扰信号源传输到负载的功率b 之比，通常用d b ( 分贝) 表示， 滤波器接入前、后的电路原理如图3 1 9 所示， 毪 l 【 v 5渣竣淤 ( a )( b ) 图3 1 9 电源滤波器插入损耗定义示意图 图3 1 9 中r 。、r l 分别为源端、负载端的阻抗，v l 为无滤波器时干扰信号在 负载端信号电压，v ，为加上滤波器时干扰信号在负载端信号电压。 根据插入损耗定义有： i l = l o l o g - 乞刍- - ( 3 - 1 4 ) 嘶g 丽k 2 r l 删。g 苦= 2 0 l o g 甚 由图3 1 9 ( a ) 可得： 巧= 雨v s x 酉r l 由图3 1 9 ( b ) 可得： k = a l l 圪一a 1 2 l = a 2 i 匕一a 2 2 厶 k = 珞一6 r s 吃= 一厶r l 第三章e m i 滤波器高频非理想特性分析 由以上各式联立解得眨： k ：垦l 一 ( 3 1 6 ) 2 口l l + 口1 2 吼+ 呸i 匙+ 口2 2 r s 吃 将k ，代入式( 3 1 5 ) 得： i l = 1 0 l o g p 主- = 2 0 l o g l 啦导并巫b ) ( 3 _ 1 7 ) k 。+ k ， 以上各式中的a l l ，0 1 2 ，吃，a 2 2 为电源滤波器二端口网络的转移参量，由上 式可知，电源滤波器的插入损耗与滤波器的网络参量、源端阻抗以及负载端阻抗 有关。 值得特别注意的是，电源滤波器对干扰信号的抑制能力，除了上面推导中的 因抑制元件( 电感、电容等) 发挥作用而具有的固有插入损耗以外，还很大程度上 取决于源端和负载端的阻抗特性。图3 2 0 所示为电源滤波器工作时的示意图，图示 给出了端接阻抗。例如，当滤波器的输出端阻抗乙与负载端阻抗r 相等时，此 时负载端无反射；当z o 埘与吃不相等时，电路失配，则负载端会产生反射，此时， 我们定义反射系数r 为： v s f = 阿 滤波器 r l ( 3 1 8 ) 图3 2 0 电源滤波器工作示意图 同样，以上分析对源端也是适用的，来自电网的干扰信号在进入电源滤波器 之前，也涉及到与滤波器的输入阻抗匹配的问题。为了便于表达，用f 表示源端