EMI滤波器电路原理及设计.doc

牛衍方QQ：451362261EMI滤波器电路原理及设计引言开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优点被广泛应用于电力电子设备系统中，但是开关电源易受到电磁干扰，产生误动作，且本身的高频信号也会引起大量的噪声，会污染电网环境，干扰同一电网其他电子设备的正常工作。这样就对EMC提出了更高的要求指标。分类：开关电源中的电磁干扰（EMI）主要有传导干扰和辐射干扰。通过正确的屏蔽和接地系统设计可以得到有效的控制，对于传导干扰来说，加装EMI滤波器，是一种比较经济有效的措施，辐射干扰的抑制可以通过加装变压器屏蔽铜片。EMI滤波器介绍开关电源与交流电网相连，尽管开关电源是一个单端口网络，但具有相线（L），零线（N），地线（E）的开关电源实际上形成了两个AC端口，所以噪声源在实际分析中可以将其分解为共模和差模噪声源。火线（L）与零线（N）之间的干扰叫做差模干扰（属于对称性干扰），火线（L）与地线（E）之间的干扰叫做共模干扰（非对称性干扰）。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。1.开关电源的EMI干扰源开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。（1）功率开关管功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。（2）高频变压器高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。（3）整流二极管整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高 dv/dt，从而导致强电磁干扰。（4）PCB准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上 述EMI源抑制的好坏。2.开关电源EMI传输通道分类（一）。 传导干扰的传输通道（1）容性耦合（2）感性耦合（3）电阻耦合a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合b.公共地线阻抗产生的 电阻传导耦合c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合（二）。 辐射干扰的传输通道（1）在开关 电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电 感线圈可以假设为磁偶极子；（2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；（3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。3.开关电源EMI抑制的9大措施在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：（1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；（2）通过接地、滤波、屏蔽 等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。分开来讲，9大措施分别是：（1）减小dv/dt和di/dt（降 低其峰值、减缓其斜率）（2）压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压（3）阻尼网络抑制过冲（4）采用软恢复特 性的二极管，以降低高频段EMI（5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术（6）采用合理设计的电源线滤波器（7）合理的接地处理（8）有效的屏蔽措施（9）合理的PCB设计4.高频变压器漏感的控制高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计！（1）选择合适磁芯，降低漏感。漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。（漏感就是将所有次级绕组和所有辅助绕组短路，测的得原边电感值。）（2）减小绕组间的绝缘层。现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20100um，脉冲击穿电压可达几千伏。（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。（层叠绕制、混合绕制 这个问题可以询问变压器制造商）5.高频变压器的屏蔽为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏 蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的 泄漏。高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。为防止该噪声，需要对变 压器采取加固措施：（1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；（2）用“玻璃珠”（Glass beads）胶合剂粘结磁心，效果更好。EMI滤波器对于干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL(Insertion Loss)来衡量。定义：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示。IL=dBP1P2=10lgP1P2P1=V12RLIL=10lgv12v22=20lgv1v2 常见的EMI电路结构 图 1电容、电感的选取原则一般的EMI滤波器中有两组电容，即跨接在电源线之间起差模抑制作用的X电容和接在电源线和地之间起共模抑制作用的Y电容。对于X电容其额定电压应和电网电压相当，其容量可以选的大一些，典型值0.05uF1uF。对于Y电容取值允许的情况下越大越好，但如果Y电容时效会导致人员电击，所以对其最大漏电电流Ig有限制，Ig的大小由产品规定，一般为0.58mA。Y电容的最大容量可用公式计算CY=IgUm2fm106(Nf)Um 电网电压 VFm 电网频率 HzIg 漏电电流 Ma另外，为了获得较好的高频特性、降低高频等效串联电阻和等效串联电感，X电容和Y电容通常都是通过几个较小的电容并联来满足其容量要求。对于滤波器中的共模或差模扼流圈一般情况下要自己动手设计。电感的取值和材料的选取原则：1、磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。2、磁导率高，但实际中很难满足这一要求，所以。磁导率往往分段考虑。磁芯材料一般为铁氧体。共模的在1.5Mh5mH,差模的在1050uH。设计实例一电源系统频率在50kHz，要求宽电压输入85V265V，其在