EMI滤波器应用设计原理.doc

EMI滤波器设计原理高频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，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。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，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作（从几十kHz到数MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，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，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。 减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地，避免环形地线，尽可能减少公共阻抗；设计合理的缓冲电路；减少电路杂散电容等。除此之外，可以利用EMI滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。 EMI骚扰通常难以精确描述，滤波器的设计通常是通过反复迭代，计算制作以求逐步逼近设计要求。本文从EMI滤波原理入手，分别通过对其共模和差模噪声模型的分析，给出实际工作中设计滤波器的方法，并分步骤给出设计实例。 1 EMI滤波器设计原理 在开关电源中，主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt，因而电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以，传导型电磁环境（EME）的测量，正如很多国际和国家标准所规定，频率范围在0.1530MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。 在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。简言之，EMI滤波器设计可以理解为要满足以下要求： 1）规定要求的阻带频率和阻带衰减；（满足某一特定频率fstop有需要Hstop的衰减）； 2）对电网频率低衰减（满足规定的通带频率和通带低衰减）； 3）低成本。 1.1 常用低通滤波器模型 EMI滤波器通常置于开关电源与电网相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器。如图1所示，噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标（fstop和Hstop）可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现，滤波器传递函数的计算通常在高频下近似，也就是说对于n阶滤波器，忽略所有k相关项（当kn），只取含n相关项。表1列出了几种常见的滤波器拓扑及其传递函数。特别要注意的是要考虑输入、输出阻抗不匹配给滤波特性带来的影响。 图1 滤波器设计等效电路 表1 几种滤波器模型及传递函数 1.2 EMI滤波器等效电路 传导型EMI噪声包含共模（CM）噪声和差模(DM)噪声两种。共模噪声存在于所有交流相线(L、N)和共模地(E)之间，其产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄漏电流以及电磁场耦合等；差模噪声存在于交流相线(L、N)之间，产生来源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复特性。这两种模式的传导噪声来源不同，传导途径也不同，因而共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。 显然，针对两种不同模式的传导噪声，将其分离并分别测量出实际水平是十分必要的，这将有利于确定那种模式的噪声占主要部分，并相应地体现在对应的滤波器设计过程中，实现参数优化。在文献6和7中，提供了两种用于区分共模和差模噪声的噪声分离器，他们能有选择地对共模或差模噪声至少衰减50dB，因而可有效地测量出共模和差模成分。分离器的原理和使用超出了本文的讨论范围，详细内容可见参考文献6和7。 以一种常用的滤波器拓扑图2(a)为例，分别对共模、差模噪声滤波器等效电路进行分析。图2(b)及图2(c)分别代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。分析电路可知，Cx1和Cx2只用于抑制差模噪声，理想的共模扼流电感LC只用于抑制共模噪声。但是，由于实际的LC绕制的不对称，在两组LC之间存在有漏感Lg也可用于抑制差模噪声。Cy即可抑制共模干扰、又可抑制差模噪声，只是由于差模抑制电容Cx2远大于Cy，Cy对差模抑制可忽略不计。同样，LD既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰，但LD远小于LC，因而对共模噪声抑制作用也相对很小。 （a）常用的滤波器拓扑 （b）共模衰减等效电路 （c）差模衰减等效电路 图2 一种常用的滤波器拓扑 由表1和图2可以推出，对于共模等效电路，滤波器模型为一个二阶LC型低通滤波器，将等效共模电感记为LCM，等效共模电容记为CCM，则有 LCM=LCLD（1） CCM=2Cy（2） 对于差模等效电路，滤波器模型为一个三阶CLC型低通滤波器,将等效差模电感记为LDM，等效差模电容记为CDM（令Cx1=Cx2且认为Cy/2LD）（6） CLC型滤波器截止频率计算公式为 fR,DM=（7） 将式（3）及式（4）代入式（7），则有 fR,DM=（8） 在噪声源阻抗和电网阻抗均确定，且相互匹配的情况下，EMI滤波器对共模和差模噪声的抑制作用，如图3所示。 图3 滤波器差模与共模衰减 2 设计EMI滤波器的实际方法 2.1 设计中的几点考虑 EMI滤波器的效果不但依赖于其自身，还与噪声源阻抗及电网阻抗有关。电网阻抗Zsink通常利用静态阻抗补偿网络(LISN)来校正，接在滤波器与电网之间，包括电感、电容和一个50电阻，从而保证电网阻抗可由已知标准求出。而EMI源阻抗则取决于不同的变换器拓扑形式。 以典型的反激式开关电源为例，如图4（a）所示，其全桥整流电路电流为断续状态，电流电压波形如图5所示。对于共模噪声，图4(b)所示Zsource可以看作一个电流源IS和一个高阻抗ZP并联；图4(c)中对于差模噪声，取决于整流桥二极管通断情况，Zsource有两种状态：当其中任意两只二极管导通时，Zsource等效为一个电压源VS与一个低值阻抗ZS串连；当二极管全部截止时，等效为一个电流源IS和一个高阻抗ZP并联。因而噪声源差模等效阻抗Zsource以2倍工频频率在上述两种状态切换2。 （a）典型反激式开关电源 （b）共模噪声源等效电路（c）差模噪声源等效电路 图4 典型反激式开关电源及其噪声源等效电路 图5 电源输入端电压、电流波形 在前述设计过程中，EMI滤波器元件（电感、电容）均被看作是理想的。然而由于实际元件存在寄生参数，比如电容的寄生电感，电感间的寄生电容，以及PCB板布线存在的寄生参数，实际的高频特性往往与理想元件仿真有较大的差异。这涉及到EMC高频建模等诸多问题，模型的参数往往较难确定，所以，本文仅考虑EMI滤波器的低频抑制特性，而高频建模可参看文献8等。故ZS及ZP取值与这些寄生电容、电感以及整流桥等效电容等寄生参数有关，直接采用根据电路拓扑及参数建模的方案求解源阻抗难以实现，因而，在设计中往往采用实际测量Zsource。 2.2 实际设计步骤 EMI滤波器设计往往要求在实现抑制噪声的同时，自身体积要尽可能小，成本要尽可能低廉。同时，滤波效果也取决于实际的噪声水平的高低，分析共模和差模噪声的干扰权重，为此，在设计前要求确定以下参量，以实现设计的优化。 1）测量干扰源等效阻抗Zsource和电网等效阻抗。实际过程中往往是依靠理论和经验的指导，先作出电源的PCB板，这是因为共模、差模的噪声源和干扰途径互不相同，电路板走线的微小差异都可能导致很大EME变化。 2）测量出未加滤波器前的干扰噪声频谱，并利用噪声分离器将共模噪声VMEASUREE,CM和差模噪声Vmeasure,CM分离，做出相应的干扰频谱。 接着就可以进行实际的设计了，仍以本文中提出的滤波器模型为例，步骤如下。 （1）依照式（9）计算滤波器所需要的共模、差模衰减，并做出曲线Vmeasure，CMf和Vmeasure，DMf，其中Vmeasure，CM和Vmeasure，DM已经测得，Vstandard，CM和Vstandard，DM可参照传导EMI干扰国标设定。加上3dB的原因在于用噪音分离器的测量值比实际值要大3dB。 (Vreq,CM)dB=(Vmeasure,CM)(Vstandard,CM)3dB (Vreq,DM)dB=(Vmeasure,DM)(Vstandard,DM)3dB（9） （2）由图3可知，斜率分别为40dB/dec和60dB/dec的两条斜线与频率轴的交点即为fR,CM和fR，DM。作Vmeasure，CMf和Vmeasure，DMf的切线，切线斜率分别为40dB/dec和60dB/dec，比较可知，只要测量他们与频率轴的交点，即可得出fR,CM和fR，DM，图6所示为其示意图。 （a）实线为共模目标衰减；虚线为斜率为40dB/dec切线 （b）实线为差模目标衰减；虚线为斜率为60dB/dec切线 图6 fR,DM与fR,CM的确定 （3）滤波器元件参数设计 共模参数的选取 Cy接在相线和大地之间，该电容器容量过大将会造成漏电流过大，安全性降低。对漏电流要求越小越好，安全标准通常为几百A到几mA。 EMI对地漏电流Iy计算公式为 Iy=2fCVc（10） 式中：f为电网频率。 在本例中，Vc是电容Cy上的压降，f=50Hz，C=2Cy，Vc=220/2=110V，则 Cy=（11） 若设定对地漏电流为0.15mA，可求得Cy2200pF。将Cy代入步骤（2）中求得fR,CM值，再将fR,CM代入式（6）中可得 Lc=（12） 差模参数选取 由式（8）可知，Cx1，Cx2，以及LD的选取没有唯一解，允许设计者有一定的自由度。 由图2可知，共模电感Lc的漏感Lg也可抑制差模噪声，有时为了简化滤波器，也可以省去LD。经验表明，漏感Lg量值多为Lc量值的0.52。Lg可实测获得。此时，相应地Cx1、Ccx2值要更大。 EMI滤波器设计专题（华南理工大学电力学院 Andrew Zhang）1、 EMI滤波器基本概念电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作，同样设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上，干扰其他设备的正常工作。因此，必须在设备的电源进线处加入EMI滤波器，这种滤波器是低通滤波器，它只允许设备正常工作频率信号进入设备（一般来说就是工频50Hz，60Hz或者中频400Hz），而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。由此我们知道EMI的作用主要有两个：a抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响；b抑制设备（本文主要指高频开关电源）对交流电网的干扰。2、干扰的分类一般我们常把干扰分为共模干扰和差模干扰两大类。所谓共模干扰就是任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差；而差模干扰则是任何两个载流导体之间不希望有的电位差。这两种干扰的来源可以从以下两个方面进行考虑：2.1共模干扰的来源：架空导线载传输的过程中会受到周围空间电磁环境的辐射，火线、中线和安全地上所感应的信号的幅值和相位几乎是相等的，由于安全地线要和大地相连接，所以就形成了火线、中线和安全地之间的共模干扰。2.2差模干扰的来源：共用一条输电线的不同设备，当其中的某一设备进行切换操作时，火线和中线之间会形成幅值大致相等而相位相反的信号，这种信号就是差模干扰。简单地说，共模干扰就是两个都是进去，而差模干扰则是一进一出。3、EMI滤波器设计3.1 EMI滤波器的典型结构EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。怎样才能抑制这些高频干扰信号呢？无非就是要在信号进入设备之前把它遏制，也就是说，在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。在开关电源中常用的EMI滤波器的结构如图1所示。 图1 EMI滤波器的典型结构图中的L就是共模电感，它是在同一个磁环上绕制两个绕向相反，匝数相同的线圈所形成的，如图2所示。它只对共模干扰有抑制作用，对差模干扰却没有抑制作用，这是为什么呢？我们可以从物理的角度来解释：图2 共模电感（环形电感比较难画，这是截来的图片，电流和磁通都没有画上去，见谅！）当电网输入共模干扰时，这两种方向相同的纵向噪声电流如图2中的，由右手螺旋定则可知，两个线圈产生的磁通（实线所示）顺向串连磁通相加，电感呈现出高阻抗，阻止共模干扰进入开关电源。同时也阻止了开关电源所产生的干扰向电网扩散，以免污染交流电网。而差模干扰电流和在L1和L2中所产生的磁通如图中和（虚线所示），它们反向串连，磁通相互抵消，感抗为零。差模干扰和工频交流电在形式上是一样的，所以共模电感对差模干扰和工频交流有用信号都没有影响。3.2 EMI滤波器的性能指标任何一种产品都有它特定的性能指标，或者是客户所期望的，或者是某些标准所规定的。我们设计产品的技术目标就是满足这些指标就可以了。所谓的“看菜吃饭，量体裁衣”。EMI滤波器最重要的技术指标是对干扰的抑制能力，常常用所谓的插入损耗（Insertion Loss）来表示，它的定义是：没有接入滤波器时从干扰源传输到负载的功率P1和接入滤波器后从干扰源传输到负载的功率P2之比，用分贝（dB）表示。图3 EMI等效原理图 其中 （1）所以： （2）由图3（a）可知 （3）图3（b）是一个二端口网络，它的传输方程为 （4）又因为有 （5）由（2）（5）式可知 （6）所以 （7）由（7）式可以看出，EMI滤波器的插入损耗与滤波网络的网络参量以及源端和负载端的阻抗有关。为避免滤除有用信号, 插损指标须谨慎提出。不论是军用还是民用EMC 标准, 对设备或分系统的电源线传导干扰电平都有明确的规定, 预估或测试获得的EMI传导干扰电平和标准传导干扰电平之间的差值即所需的EMI 滤波器的最小插损。然而, 对不同的单台设备都进行EMC 测试, 而后分析其传导干扰特性, 设计合乎要求的滤波器, 这在实际工程中显然是不可能的。事实上, 国家标准中规定了电源滤波器插入损耗的测试方法。在标准测试条件下,一般军用电源滤波器应满足10kHz 30MHz 范围内插入损耗30 60dB。工程设计人员只需要根据实际情况选择合适的滤波器。3.3 EMI滤波器设计原理在图3（b）中我们把滤波器等效成为一个而端口网络，它的输入阻抗为，输出阻抗为，由信号传输理论可知，如果输入端和输出端的阻抗不相等（这就是前面所提及的阻抗失配），高频信号就会在输入端产生反射，定义其反射系数为： （8） 显然，和相差越大便越大，信号反射越大，高频的干扰信号就越难通过。根据图3（b）所示的二端口网络模型的阻抗表达方式 （9） 得到 （10） 这样，通过调节网络参数,就可以在一定的范围内使得阻抗失配。 总的来说，滤波器的设计要遵循以下的原则：源内阻是高阻抗的，则滤波器的输入阻抗就应该是低阻抗的，反之也同样成立。4、 EMI滤波器的元件选择4.1滤波电容的选择与一般的滤波器不同，图1所示的EMI滤波器典型结构中电容使用了两种下标，和，接于相线和中线之间，称为差模电容，接于相线或中线与地之间，称为共模电容，下标X和Y不仅表明了它在滤波电路中的作用，还表明了它在滤波电路中的安全等级。在设计或选用滤波器时都必须充分考虑这两类电容的安全性能，因为它直接关系到滤波网络的安全性能。4.1.1差模电容器的选择指的是应用于这样的场合：当电容失效后，不会导致电击穿现象，不会危及人生安全。除了要承受电源相线与中线的电压之外，还要承受相线与中线之间各种干扰源的峰值电压。根据差模电容应用的最坏情况和电源断开的条件，电容器的安全等级又分为和两个等级具体规定见表1。所以设计滤波器时应根据不同的应用场合来选择不同安全等级的电容器。表1 差模电容的分类CX电容等级用于设备的峰值电压VP应用场合在电强度试验期间所加的峰值电压VPCX1VP1.2kV出现瞬态浪涌峰值对C0.33uF, VP=kVCX2VP1.2kV一般场合1.4kV若的安全性能（即耐压性能）欠佳，在上述的峰值电压出现时，它有可能被击穿，它的击穿虽然不危及人生安全，但会使得滤波器的功能下降或丧失。通常EMI滤波器的差模电容必须经过15001700V直流电压1分钟耐压测试。4.1.2共模电容及其漏电流控制用于电子设备电源的EMI滤波器共模滤波性能常常受到共模电容的制约。电容即跨接在相线或中线与安全地之间的电容。接地的电流主要就是指流过共模电容的电流，由于流过电容的电流由电源电压，电源频率和电容值共同决定，所以漏电流可以由下式估算： （11）其中为 电源电压，为电源频率。 由于漏电流的大小对于人生安全至关重要，不同国家对不同电子设备接地漏电流都做了严格的规定。若对最大漏电流做出了规定，则可由（11）式可以求出最大允许接地电容值（即电容的值）： （12）如GJB151A-97中规定，每根导线的线与地之间的电容值，对于50Hz的设备，应小于对于400Hz的设备，应小于；对于负载小于0.5kW的设备，滤波电容量不应超过。标准中的规定除了要满足（12）式外，还要求电容在电气和机械安全方面有足够的余量，避免在极端恶劣的条件下出现击穿短路的现象。因为这种电容要跟安全地