emi电源滤波器设计与测试

四川理工学院毕业设计（论文）EMI电源滤波器设计与测试学生学号专业电气工程及其自动化班级指导教师四川理工学院自动化与电子信息学院二OO九年六月摘要本文在分析电源滤波器网络结构和软磁铁氧体性质的基础上，提出了电源滤波器插入损耗的计算方法。文中应用网络理论分析了EMI电源滤波器的插入损耗与相关网络参量的关系，讨论了EMI电源滤波器的基本网络结构及其插入损耗的计算方法，建立了单相电源滤波器的共模及差模等效电路模型及滤波器件的高频分布参数模型，然后分析了软磁铁氧体材料的主要性质，讨论了软磁铁氧体在EMI电源滤波器中的应用，建立了软磁铁氧体磁芯的等效电路模型。并根据文中所述做出了一个EMI电源滤波器实物。在本文的最后还讨论了EMI电源滤波器的一些工程应用技术。关键词EMI电源滤波器，插入损耗，软磁铁氧体，电感，抑制元件ABSTRACTPOWERFILTERBASEDONTHEANALYSISOFNETWORKSTRUCTUREANDTHENATUREOFSOFTFERRITEONTHEBASISOFTHEPROPOSEDPOWERFILTERINSERTIONLOSSISCALCULATEDTHEARTICLEANALYZESTHEAPPLICATIONOFNETWORKTHEORYPOWEREMIFILTERINSERTIONLOSSANDRELATEDNETWORKPARAMETERSOFTHERELATIONSHIPBETWEENTHEPOWERSUPPLYEMIFILTERDISCUSSEDTHEBASICNETWORKARCHITECTUREANDITSINSERTIONLOSSISCALCULATED,THEESTABLISHMENTOFASINGLEPHASEPOWERFILTERCOMMONMODEANDDIFFERENTIALMODEEQUIVALENTCIRCUITMODELANDFILTERPARTSOFTHEHIGHFREQUENCYDISTRIBUTEDPARAMETERMODEL,ANDTHENANANALYSISOFFERRITEMATERIALSINNATURE,AREDISCUSSEDINFERRITEEMIFILTERSINPOWERAPPLICATIONS,THEESTABLISHMENTOFASOFTFERRITECORETHEEQUIVALENTCIRCUITMODELANDDESCRIBEDINTHETEXTMADEINACCORDANCEWITHAKINDEMIPOWERLINEFILTERINTHISPAPERALSODISCUSSEDTHEFINALEMIFILTERPOWERENGINEERINGAPPLICATIONSKEYWORDSEMIPOWERLINEFILTER，INSERTIONLOSS，SOFTFERRITE，INDUCTANCE，SUPPRESSIONCOMPONENTS目录摘要IABSTRACTI11研究背景及其意义312国内外研究现状4121国外研究现状4122国内研究现状513本文的主要工作6第2章EMI电源滤波器的设计原则821EMI电源滤波器822开关电源EMI信号类型及特点1023开关电源EMI信号类型及特点1224EMI电源滤波器插入损耗的计算方法13241二端口网络13242EMI电源滤波器插入损耗1525电感、电容的高频特性1626本章小结19第3章EMI电源滤波器设计2031规范2032滤波器网络结构分析21321选择滤波器电路结构21322共模差模等效电路2333共模电感和差模电感的计算24第4章滤波器件的设计与选择2941软磁铁氧体29411初始磁导率29412复数磁导率、损耗、磁谱及截止频率30413铁氧体磁芯的选择32414软磁铁氧体与超微晶磁芯的配合使用3442滤波器分立元件的设计35421共模扼流圈35422差摸电感37423共模电容和差模电容3843EMI电源滤波器整体封装技术4044产品设计制作与测试42441产品的设计与制作43442产品性能的测试4645本章小结47第5章结束语49致谢50参考文献51第1章引言11研究背景及其意义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。然而，随着开关电源类数字电路的普及和发展，电气电子设备辐射和泄漏的电磁波严重干扰了其他电气电子设备的正常工作，成为一种无形的污染。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备间的相互干扰，营造良好的电磁工作环境，世界各国都制定了各自的电磁兼容标准，以利于设备相互间的工作协调，如国际电工委员会的IEC61000及CISPR系列标准、欧共体的EN系列标准、美国联邦通信委员会的FCC系列标准、北美标准等等。我国现行的GBFR13926系列电磁兼容标准主要是参照CISPR修订的。因此，开关电源电磁兼容问题的研究是十分必要的。一般来说，电磁兼容性EMCELEETROMAGNETIECOMPATIBILITY是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。具体包括以下两方面的含义L电子设备或系统内部包括部件和子系统在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。2设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平，电磁干扰不对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。电磁干扰ELECTROMAGNETIOINTERFENCE，EMI的构成有三个要素干扰源、噪声的祸合路径及被干扰设备。因此，电磁兼容要解决的主要问题是削弱干扰源的能量，隔离或减弱噪声祸合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰能量主要通过辐射性祸合和传导性祸合进行传输。屏蔽、滤波和接地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空间的辐射发射途径，滤波用于切断通过导线的传导发射途径，而接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。众多实践经验表明，在电气电子新产品的设计阶段，电磁兼容性考虑得越早，问题越简单，解决问题所需要的成本也越低，否则越是到后面阶段，可以用来抑制噪声、防止受干扰的手段越少，为此所付出的代价也越高。因此，为了保证开关电源的电磁兼容性，在新产品的设计阶段就应当首先进行电磁兼容的测试和评估。近年来，在电力电子技术大力发展的同时，人们在开关电源的电磁兼容性研究过程中普遍遇到的一个技术难题就是传导干扰问题。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，其中电源线上的传导干扰危害最大，抑制环节也最为薄弱。IBM公司的一项研究表明，一台普通计算机装置每月都会遭受120多次电源干扰，它包括停电、电压不稳、尖峰信号、浪涌和线路噪声等。在严重威胁设备安全可靠工作的起因中，885是来自电源中的脉冲干扰和振荡瞬变，它们是电源干扰的主要成分。因此，一般在电源输入端口都要安装EMI电源滤波器，主要有两个目的，其一是抑制经电源线进入敏感设备或系统的电磁干扰其二是抑制设备或系统自身的传导发射。通常，EMI电源滤波器受电源模块体积所限，无法选取更复杂的拓扑结构和更大的元器件参数，因此EMI电源滤波器设计需要尽早考虑。12国内外研究现状121国外研究现状国外对EMI滤波器设计研究较多，所以发表的文章比较多。除了研究EMI滤波器设计方法以外，对EMI滤波器的某些特性也有专门研究。FUYUANSHIH在1996年提出了一种设计方法，该方法引入了衰减曲线，然后根据衰减曲线来确定转角频率，根据转角频率的大小来设计滤波器的方法。这种方法好处在于计算简单，不需要复杂的矩阵计算来确定EMI滤波器的元件值，而且设计方法也容易理解、应用。该方法也有不足，就是对阻抗的考虑比较简单，设计的时候用一些近似方法来简化电路避开阻抗的影响。但是该文章在EMI滤波器设计领域是一篇比较重要的文章，在19年以后发表的很多EMI滤波器设计的文章都对该文章进行了引用。SHENGYE在2004年基于前人的基础上提出了一种新的设计方法，该方法对滤波器设计有较大的突破，其最主要贡献是引入了对干扰源阻抗的研究，分析了噪声源阻抗影响滤波器性能的机理，并设计了简单的阻抗测量方法。在这篇文章中并没有用阻抗分析仪对阻抗进行测量，而是通过对电路拓扑图进行计算结合简单的实际测量，通过确定最大可能干扰源阻抗和最小干扰源阻抗来设计滤波器。文章的最后对比了不考虑干扰源阻抗情况下设计出来的EMI滤波器的性能，从实验结果上来看，考虑干扰源阻抗对EMI滤波器的性能提高有一定帮助。除了EMI滤波器结构对滤波器工作性能有影响以外，滤波器元件的寄生参数对滤波器性能也有一定影响，所以有一些研究将重心放在这个方向。SHUOWANG做了一些相关研究，分析了高频时元件的寄生参数对EMI滤波器的影响。在分析这些参数的时候，作者把EMI滤波器分成了差模与共模部分分别讨论。理论分析完以后，作者又提出了3种减低这种寄生参数的方法，并且做了一个样品，通过样品的测试说明了这3种方法对EMI滤波器的高频特性有较大改善。MOHITKUMAR在2006年介绍了一种在时域测量情况下设计EMI滤波器的方法。其实这种方法就是把时域信号采集到仪器里面，然后通过计算机的计算来得到噪声频谱，设计本质还是需要知道噪声的频谱等信息，不过提出了一种较新的设计思路。为了测量滤波器性能，引入了S参数来对EMI滤波器的好坏进行表征，这也是很有意义的。以上工作主要是介绍无源的EMI滤波器设计方法及相关内容，还有一部分文章集中在有源滤波器设计上。有源滤波器的特点就是对低频滤波效果很好，这正好弥补了无源器件在低频方面的不足，可以使EMI滤波器的截止频率做到很低。但是有源滤波器只能用于滤除共模噪声，还不能用于减小差模噪声。122国内研究现状国内对EMI滤波器设计的文章还是比较多，不过相对外国的文章来说，详细分析滤波器特性的比较少。还有一点就是国内高档次杂志上面有关EMI滤波器设计的文章较少，在国外高档次杂志发表文章倒还经常见到。国内主要在EMI滤波器的高频性能研究和利用有源滤波器改善EMI滤波器频率特性两方面成果较多。清华大学的DHLIU在2002年发表了一篇文章对EMI滤波器的高频特性进行了分析，通过仿真与实际测量两种方式取得EMI滤波器的高频参数，并且对两种情况下获得的参数进行了对比。一年以后清华大学的LIANGXUE对EMI滤波器在高频时候的特性进行了分析，并且建立了相应的电路模型。基于这个模型进行的分析更接近真实情况，对EMI滤波器设计有比较大的帮助。在有源滤波器用于EMI滤波器方面也有一定成果。西南交通大学的钟晓清在2006年对超低频的EMI噪声进行了分析，并设计相应的有源滤波器对低频噪声信号进行滤波。该文中的EMI滤波器主要特点是满足国军标100HZ的起始测量频率，截至频率达到150HZ，这是常用无源EMI滤波器达不到的。该设计应用了DSP芯片，在芯片中加入了自适应算法，从而提高了滤波器的工作性能，同时把DSP技术用于EMI滤波器设计也是一种有新意的尝试。但是该设计方案成本太高，系统太复杂，应用面不广，不适于一般开关电源。西安交通大学的WENJIECHEN在2006年介绍了一种有源EMI滤波器ACTIVEEMIFILTERAEF的设计方法。该方法使用运算放大器构成有源滤波器，这种方法有效的提高了EMI滤波器的低频特性，同时也大大减小了滤波器的体积。由于运算放大器是很成熟的产品所以该设计成本较低，而且也容易实现。从目前EMI滤波器设计的国内外发展来看，EMI滤波器本身的拓扑结构已经很成熟，创新的空间不大。研究空间较大的地方主要在对EMI滤波器的设计方法和利用有源滤波器提高EMI滤波器的低频共模衰减上面。还有一个发展的方向就是集成EMI滤波器，但是这方面的研究条件要求较高，所以目前主要还是集中在前两个方向上。13本文的主要工作L概述电磁兼容的定义、电磁兼容设计的主要任务和目前国内外电磁兼容设计的研究情况。陈述国内外EMI电源滤波器发展历史和现状以及一些主流设计方法的优缺点。2讨论EMI电源滤波器的特点及开关电源EMI信号类型，并给出滤波器电路结构选取原则。应用网络理论分析EMI电源滤波器，讨论相关网络参数与滤波器插入损耗的关系。3分析滤波电感、滤波电容的高频电路模型及高频特性。4根据EMI电源滤波器的设计规范，选定滤波电路结构，建立滤波器的共模及差模等效电路模型。5分析开关电源产生的干扰，确定插入损耗指标。6进行滤波电感的设计计算，确定最终电路结构,讨论不同元件参数选择、分布参数模型和测量、使用系统对滤波器频率特性的影响。7通过实际测试，验证EMI电源滤波器的性能，验证等效电路模型和滤波器设计方法的合理性。8分析铁氧体磁性材料的主要性质，讨论软磁铁氧体在EMI电源滤波器中的应用。同时讨论滤波电感及电容的器件设计技术。9讨论EMI电源滤波器工程应用问题，论述其制作封装、安全检测、安装形式及安装注意事项等几方面问题。第2章EMI电源滤波器的设计原则21EMI电源滤波器在电磁兼容设计中，即使是经过很好的设计并具有正确的屏蔽和接地措施的设备，也不能提供完整的电磁干扰防护，仍然会有传导骚扰或传导骚扰发射进出设备，这是因为设备或系统上的电缆是最有效的骚扰接收与发射天线。解决这个问题最有效的方法是在电缆的端口处使用EMI滤波器。EMI滤波器的作用是抑制干扰信号通过，因此它与一般的通信及信号处理中所讨论的信号滤波器相比，具有下列不同特点1EMI滤波器在对电磁干扰抑制的同时，能在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗小，保证最大的传输效率。2EMI滤波器中用的电感、电容元件，必须具有足够大的无功功率容量，同时对元件寄生参数的控制也比较苛刻。3信号处理中用的滤波器，通常总是按阻抗完全匹配状态设计的，所以可以保证得到预想的滤波特性。但是，在电磁兼容设计中，很难做到这点，有时滤波器不得不在失配状态下运行，因此必须认真考虑其失配特性，以保证EMI滤波器在工作频率范围内有比较高的衰减性能。4EMI滤波器虽然是抗电磁干扰的重要元件，但是使用时必须仔细了解其特性，并正确使用。否则，不但会失去滤波功能，有时还会导致新的噪声。5EMI滤波器应该有足够的机械强度、安装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单等优点。EMI电源滤波器，又称为电网滤波器、进线滤波器，它是EMI滤波器中的一种，允许直流或工频SOHZ、400HZ信号通过，对频率较高的其它信号和干扰信号有较大的衰减作用。通用的EMI电源滤波器可以定义为一个低通网络，它由电感、电容或电阻等无源器件组成。一般可根据其电路形式分为单电阻、单电感、单电容、RC型、L型、T型、N型等基本电路形式，如图21所示，它们是组成EMI电源滤波器的基础。单电阻型单电感型单电容型RC型L型T型型图21EMI电源滤波器的基础EMI电源滤波器的主要性能指标一般包括额定电压、额定电流、插入损耗、漏电流、阻抗匹配、频率特性、物理尺寸及重量、使用环境和滤波器本身的可靠性等。但是在使用时考虑最多的是额定电压及电流值、插入损耗和漏电流。额定电压和额定电流主要是出于安全和性能考虑的。额定电压是输入滤波器的最高允许电压值，主要是保证滤波器在该工作电压下，其内部的电容器、电感线圈以及它们和金属外壳之间的绝缘，在最大峰值电压下，包括浪涌等有害瞬变过程都不出现绝缘破皮现象。滤波器的额定电压一般取最大峰值电压的两倍。额定电流是指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器所允许的最大连续工作电流。额定电流均为工作环境是40摄氏度时的额定电流值，在其他环境温度下滤波器的最大工作电流可按下式计算（21）45/81ATI其中，I1是40摄氏度的额定电流，TA是工作环境温度。一般环境温度越高允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率有关，工作频率越高，允许电流越小。当滤波器的工作电流超过额定电流时，会造成滤波器过热，使得低频滤波性能下降。因此，在确定滤波器的额定工作电流时要以设备的最大工作电流为准，一般取滤波器的额定电流是实际最大工作电流值的15倍左右。插入损耗INSERTIONLOSS，IL是从抑制干扰的角度出发，是滤波器最重要的技术参数。具体的内容将在后面的章节中介绍。漏电流是指在额定电压下，滤波器相线和中线与地之间流过的电流。一般出于安全的考虑对漏电流都有严格的规定。漏电流是指在额定电压下，滤波器相线和中线与地之间流过的电流。一般出于安全的考虑对漏电流都有严格的规定。22开关电源EMI信号类型及特点EMI电源滤波器主要是针对电源线上的干扰信号类型来进行抑制的。电源线上的干扰信号包含了很多可变的因素，给分析带来了一定的难度。但是通常这些电源干扰是以共模COMMONMODE,CM和差模DIFFERENTIALMODE,DM方式存在，因此干扰信号按传导路径的不同可分为共模干扰信号和差模干扰信号。共模干扰是指电源线对大地或中线对大地之间的电位差，对于三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模电流是在相线或中线和地线之间流动的、相位相同的电流，共模电流一般利用外部接地系统、电缆、金属制品等做为电流的返回路径。共模干扰如图22所示。图22共模干扰差模干扰存在于电源相线与中线之间，对于三相电路来说，差模干扰还存在于相线与相线之间。差模电流是往返于相线和中线之间且相位相反的电流。差模干扰如图23所示。图23差模干扰通常情况下，共模电流和电压振幅非常小，但是由于在电路中它们的回路面积很大，因此由共模干扰所引起的电磁兼容问题比等价的差模干扰更严重。在大多数场合EMI电源滤波器主要抑制共模干扰信号。开关电源与交流电网连接的框图如图24所示。尽管开关电源的噪声源是一个单端口网络，但具有相线L、中线N和地线E的开关电源实际上形成了两个AC端口，所以在实际分析时可将噪声源分解为共模和差模噪声源。由于共模和差模这两种模式的传导噪声来源不同，传导途径也不同，因而开关电源的共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。图24开关电源与交流电网连接的框图开关电源在工作时，开关的切换频率通常从数千赫兹到上百千赫兹，而陡峭的上升及下降电压与电流波形，内含相当多的高频成分，所以开关电源本身就是一个干扰发射源。但是与高速数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不太高，所以开关电源呈现出不同于高速数字电路的电磁干扰特性。它们主要表现为L作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高。2干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，干扰源的位置较为清楚。3开关频率不高，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。4开关电源印刷电路板的走线通常采用手工布局，具有更大的随意性，增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。23开关电源EMI信号类型及特点EMI电源滤波器通常希望其工作在规范的输入阻抗和输出阻抗中，一般源阻抗和负载阻抗都等于50。当源阻抗和负载阻抗与滤波器规范规定的阻抗不同时，输出响应就会发生变化，滤波器将不能达到预期的工作性能。但是在实际应用中，EMI电源滤波器两端阻抗通常都是处于失配状态。设电源的输出阻抗和与其连接的滤波器的输入阻抗分别为Z0和Z，根据信号传输理论，当Z0笋Z，在滤波器的输入端口会发生反射，发射系数为221010Z显然，Z0和Z，相差越大，便越大，端口产生的发射越大。当阻抗处于失配状态时，EMI信号会在它的输入和输出端口产生反射。失配越大，反射越大。所以，滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态，使EMI信号产生发射。同理，滤波器输出端口也应与负载处于失配状态，使EMI信号产生发射。对于EMI信号，电感是高阻抗的，电容是低阻抗的，所以在进行EMI电源滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则如果源内阻和负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的。如果源内阻和负载是容性的，与之端接表21EMI电源滤波其的端接方式24EMI电源滤波器插入损耗的计算方法电源滤波器对干扰信号的抑制能力用插入损耗来衡量，插入损耗是滤波器最重要的技术参数之一。本节主要利用网络理论分析滤波器的网络结构，从而得出插入损耗的基本计算公式，其中最关键的是推导出滤波器二端口网络的A参数。241二端口网络图25所示为一个二端口网络，其中11端口为输入端口，22端口为输出端口。图25二端口网络图25二端口网络的传输方程为（23）221IAUI引入矩阵的概念，则公式23可以表示为（24）22211IAIAI式24中的A称为A参数矩阵。A参数矩阵各元素的计算是推导滤波器插入损耗的关键。图26N个二端口网络级联对于N个二端口网络的级联，如图26可得（25）INIIUAI111由此，在对滤波器进行网络分析时，可以将复杂的二端口网络分解为多个典型滤波电路二端口网络的级联，分别计算出各个二端口网络的A参数矩阵并连乘A参数矩阵，即可获得复杂滤波器网络的A参数矩阵，进而实现对滤波器插入损耗的分析。典型的滤波电路如图21所示，它们中常用的A参数矩阵列于表22中。表22242EMI电源滤波器插入损耗插入损耗是EMI电源滤波器的重要参数，它是频率的函数。通常把插入损耗随频率变化的曲线称为滤波器的频率特性。滤波器的插入损耗越大，滤波效果越好。EMI电源滤波器插入损耗的定义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P,和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率PZ之比，用DB分贝表示。滤波器接入前、后的电路如图27A、B所示。图27插入损耗方框图（26）/LG102PLI由于（27）LRV21（28）/由于（29）/LG20LG02121VI由图27（A）可得（210）LSRV1根据图27（B）的网络传输方程，同时有（211）221IAI（212）LRV（213）2式（211），（212），（213）联立可解出V2为（214）LSSLRAA21122将式（210），（214）代入式（29）即可得出插入损耗的计算公式（215）LSRI2LG0在进行滤波器的设计时，式215用于计算滤波电感数值和仿真检验滤波器的性能。同时，我们要注意EMI电源滤波器插入损耗和通常所说的转移电压衰减的定义是不同的，所以书本上已有的滤波器电压衰减图表和数据不能直接应用于插入损耗。25电感、电容的高频特性电感和电容是构成EMI电源滤波器的主要元件，它们的高频分布参数直接影响到滤波器的性能。在低频状态下，电感和电容一般被当作理想器件即纯电感和纯电容。但是在高频状态下，它们的特性将远远偏离理想状态时的特性。实际电感器EMI电源滤波器中的电感器通常都是绕制成线圈形式，磁芯为铁氧体软磁磁芯。与一般的电感器一样，在一个很宽的频率范围内，滤波电感具有线圈的直流电阻R和分布电容CP，分布电容存在于电感绕组匝与匝的导线之间及多层绕组的层与层之间。分布电容是影响电感频率特性的主要指标。实际电感的等效电路如图28所示。图28实际电感的等效电路根据这一等效电路，电感的阻抗为（216）RCJLZPL21在直流段即O时，ZL等于R当在低频段即O时，电感的阻抗呈现电容阻抗的特性，阻抗随频率升高而降低。频率O是电感器的谐振频率217PLC/10根据式（216），实际电感的频率特性如图29所示。图29实际电感的频率特性因此，为了改善电感的高频特性，可通过以下两个途径实现一是在体积不变的情况下，获取最大的电感值二十将线圈的分布电容CP减小到最小。实际电容器实际的电容器和电感类似，它也不是一个纯粹的电容。实际的电容器由绝缘漏电阻RP、等效串联电阻RS、等效串联电感LP和电容构成。绝缘漏电阻RP是介质材料本身的电阻，等效串联电阻RS是电容器引线等的等效电阻，而等效串联电感分量是由电容引线和结构所决定的。高频状态下，电感分量是影响电容频率特性的重要指标。实际电容器的等效电路如图210所示。图210实际电容的等效电路电容的阻抗为（218）CRJLJRZPPSC1根据式（218），实际电容的频率特性如图211所示。图211实际电容的频率特性在频率非常低时，电容器表现出电阻特性，其数值主要取决于绝缘漏电阻RP当频率逐渐升高时，式218可近似等效为（219）CJLJRZPSC1在EMI电源滤波器的设计中，主要考虑的是电容在较高频率时的实际特性，因此在进行滤波器的高频等效电路分析中，可以采用图212所示的实际电容的简化等效电路。图212实际电容的简化等效电路当在低频段即O频率超过谐振点时，电容的阻抗呈现电感阻抗的特性，阻抗随频率升高而增加。频率O是电容器的谐振频率（220）LP/10实际电容器的高频特性主要取决于等效串联电感LP。等效串联电感LP实际上包含两个部分即内部结构及引线电感L1和外部引线电感LW。LI取决于电容器的结构和尺寸，一般取550NH。LW取决于电容器外部引线的长短，是影响电容高频特性和谐振频率的主要因素。因此，在使用电容器时应设法将外部引线长度控制到最小，以达到提高噪声抑制的目的。综上所述，在高频条件下进行滤波器插入损耗分析时，必须按照电感和电容的高频等效电路进行考虑。在计算高频插入损耗时，需要将理想状态下电感和电容的阻抗用高频时的阻抗代替，求出相应的A参数矩阵。26本章小结本章讨论了EMI电源滤波器的基本电路结构、性能指标及设计原则，分析了开关电源干扰产生的原因、特点和干扰信号的类型。同时在应用网络理论分析滤波器特性参数插入损耗的基础上，结合滤波器件的实际特性讨论了在高频情况下如何分析滤波器的高频插入损耗。第3章EMI电源滤波器设计31规范世界各国或地区有关传导型EMI的测量技术以及各类型产品的主要规范对照标准大致如表31所示。本文将以国家军用标准GJB151A/152B中有关军用设备及分系统电磁发射和敏感度测量的规范作为滤波器的设计标准。表31各国或地区关于传导型EMI主要规范中国美国欧洲国际测量技术GB/T611311995GB/T611321998ANSIC63EN50081CISPR16工业、科学医疗设备GB/48241996FCCPART18EN55011CISPR11信息技术相关设备GB92541998FCCPART15EN55022CISPR22广播接受相关产品GB138371997FCCPART15EN55013CISPR13家电产品GB43431995FCCPART15EN55014CISPR14灯具产品GB1774399FCCPART15EN55015CISPR15本文中开关电源需满足的详细规范如表32所示。表32具体规范CE10210KHZ10MHZ，电源线传导发射，9460DBUVRE10210KHZ18GHZ，电场辐射发射，2100MHZ，6264DBUV/M；18GHZ，69DBUVRE10310KHZ40GHZ，天线谐波和乱真输出辐射发射，80DB图32所示为GJB151A中CE102规定的电源线传导干扰发射极限值，该极限值适用于所有电源导线及返回线。图中曲线根据额定电压的不同，其极限值可以相应放宽。若受试设备传导发射超标，可参照发射极限值确定插入损耗指标，设计合适的电源滤波器。本文中的滤波器设计主要以CE102为依据。图32CE102规定的电源线传到发射极限值32滤波器网络结构分析321选择滤波器电路结构在开关电源中，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ELECTROMAGNETICEMISSION,EME通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几兆赫兹。所以，传导型电磁环境的测量，正如很多国际和国家标准所规定，民用标准频率范围在01530MHZ，军用标准的频率范围在01510MHZ。设计EMI电源滤波器，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。根据开关电源产业共模、差模干扰的特点，可以粗略按干扰的分布划分三个频段01505MHZ差模干扰为主055MHZ差模、共模干扰共存530MHZ共模干扰为主。其简单的列线图如图33所示。对于开关电源来说，干扰信号容易出现在开关频率点及其谐振点上，因此这些频段是滤波器工作的主要频段。此开关电源的工作频率是200KHZ，差模干扰信号的强度可能比较大，所以在电路结构的选择上使用一般性能电源滤波器，为了增强滤波器差模滤波的能力，另外再加上一级差模滤波电感，电路如图34所示。图33共模干扰和差模干扰的分布规律图34增强差模效果的一般性能电源滤波器图34中的电感L及其标志代表共模电感即共模扼流圈，对于相线P或中线N对地引入的共模干扰，均采用由共模电感L、差模电感L。和共模电容Q构成的对地对称的L型滤波电路对于相线P和中线N之间引入的差模干扰，采用差模电容CX、共模扼流圈漏电感LE和差模电感LD构成的II型滤波电路抑制。在滤波器的电路设计中，共模和差模两种滤波元件对彼此干扰的滤除都会提供贡献，而同一滤波元件也有可能对于电磁干扰信号抑制呈现相反作用，使得滤波器整体设计出现变数与变数之间相互影响的情况，其错综复杂的相互影响情况如图35所示。因此，在电路分析和选择共模及差模滤波元件值时要充分考虑到上述情况。共模电感CML共模干扰共模电容CM共模电容DML差模干扰差模电容DMC图35EMI滤波元件与干扰的相互影响322共模差模等效电路在进行EMI电源滤波器电路结构分析时，通常将共模干扰和差模干扰分开分析，分别计算各自等效电路的A参数矩阵并得出对应的插入损耗。图36和图37分别给出了图34所示滤波器在理想状态下的共模等效电路和差模等效电路。图36理想共模等效电路图37理想差模等效电路其中LCM是等效共模电感，LDM是等效差模电感。（31）DCML（32）E2（33）/3YXLE是在绕制共模扼流圈时产生的不平衡漏电感，在滤除差模干扰信号时相当于差模电感的作用。一般情况下，LDL，LE2LD且LE1000由图36和式22可求出共模等效电路的A参数矩阵（34）1221ACJLYMY由图37和式22可求出差模等效电路的A参数矩阵（35）122331212XDMXXXDCLAJJ33共模电感和差模电感的计算EMI电源滤波器通常希望其工作在规范的输入阻抗和输出阻抗中，一般源阻抗和负载阻抗都等于50，但在实际工作中阻抗大多处于不匹配状态。在计算电路参数时，为了减少变量，利于EMI电源滤波器共模和差模插入损耗的理论计算，需要源阻抗和负载阻抗为一个固定值，因此先不考虑源阻抗和负载阻抗是否匹配的问题。这里采用测量滤波器插入损耗时使用的标准源、负载阻抗值RS50,R50。在允许的条件下，滤波电容的容量要求越大越好。一般用于交流滤波器时，共模电容必须小于001F，如2200PF4700PF，差模电容要求取值在15F之间。而在直流滤波器中，电容器耐压较低，其使用的容量大小比交流滤波器中使用的电容大一个数量级。共模电容和差模电容有几个常用的数值，共模电容通常为334,224和333差模电容通常为105和068F。这里选取最常用的333和105作为共模电容和差模电容的数值。计算电感的过程是利用插入损耗公式214进行反推的过程。具体方法是先将共模等效电路的A参数矩阵代入式214，得出共模等效电路的插入损耗公式36，这个公式是计算共模电感的必要条件。（36）LSSLCMRAALI2211LG20SLSYYCCJJLG20（37）F通过前一节对开关电源干扰信号的分析，已经确定了频率和所需插入损耗的关系，由式36即可求得等效共模电感。表34给出了在共模等效电路中相应的频率点、插入损耗值及相对应的等效共模电感。表38等效共模电感FMHZ020406081510ILDB43505868705855CM49333661值可忽略值可忽略表38中计算了七个频率点，最后LCM取61MH。选取最大的电感值可以保证在其它所有频点滤波器也能达到期望的衰减值。等效差模电感的计算与共模电感的计算过程大致相同，差模等效电路的插入损耗计算公是38LSSLDMRAALI2211LG20LSXDMSXDMXDMXLCLRCCJJCR11LG2012312313表35给出了等效差模电路中相应的频率点、插入损耗值及相对应的等效差模电感。表39等效差模电感FMHZ020406081510ILDB50566266706458DMLH7519值可忽略值可忽略值可忽略值可忽略值可忽略表35中计算了七个频率点，根据电感量取最大值的原则，最后LDM取75H。根据表34,35中的计算和式31,32，可以得出共模扼流圈电感为6076MH，对称绕制差模电感LD值很小，可以不用另外加入差模电感。差模电感的作用可用共模扼流圈的不平衡电感LE。来代替。滤波电路结构最后如图310所示。EMI电源滤波器的设计如同其他类型电路的设计一样，它也面临着因高频情况所衍生的电感、电容问题。在确定电路结构后，重新进行共模和差模等效电路的分析是非常必要的。下面将主要讨论EMI电源滤波器的高频共模和差模等效电路。图311给出了滤波器的高频共模等效电路。图310最终电路结构图311高频共模等效电路高频共模等效电路所对应的A参数矩阵为（39）1/212ABALJRA其中310RCJLAP21311YSJRB图310对应的高频差模等效电路如图312所示图312高频等效电路高频差模等效电路所对应的A参数矩阵为（312）1422313142311ZAZA其中（313）SPXRLJCJZ11（314）RCJLZPE221（315）SYJ3（316）RCJZP14高频A参数矩阵是EMI电源滤波器仿真的重要条件之一。它能使仿真结果更趋向实际情况，从而给电源滤波器的制作提供重要的依据。第4章滤波器件的设计与选择电力电子转换电路产生的传导型EMI问题，绝大部分都可以通过EMI滤波器加以解决，工程技术层次上最大的挑战在于设计出最经济的滤波器。因此，在确定了滤波器电路结构与元件值的大小后，设计和选择合适的滤波器件是相当重要的。另外，在滤波器的设计过程中，若能将元件的成本列为考量条件，将使得设计结果更加完善。41软磁铁氧体软磁铁氧体材料是发展最早、应用最广的一类铁氧体材料，这类材料具有窄而长的磁滞回线，初始磁导率产I高，矫顽力HC小，既容易获得也容易失去磁性。软磁铁氧体的特点是饱和磁感应强度很低，但导磁率比较高，而且电阻率很高，非常有利于降低涡流损耗。因此，软磁铁氧体能够在很高的频率下使用。本节将讨论软磁铁氧体的有关理论及其在EMI电源滤波器中的实际应用问题。411初始磁导率磁导率、饱和磁通密度BS是衡量铁氧体磁性材料最重要的磁性参数。磁导率越高，意味着绕制同样的匝数其电感量越高，而饱和磁通密度BS则反映了铁氧体的饱和强度。当铁氧体受到一个外磁场作用，流经铁氧体磁环线圈上的电流增大时，磁场H增大，磁通密度B随之增大，当磁场增加到一定值时，磁通密度B达到BS，铁氧体饱和。随着饱和的接近，铁氧体的初始磁导率迅速下降并接近于空气的导磁率相对磁导率为1。软磁铁氧体材料的磁滞回线如图41所示图41软磁铁氧体材料的磁带回线在实际选择铁氧体材料时，考虑最多的参数是初始磁导I。初始磁导率是材料在弱磁场磁化过程中的一个宏观特性表示量，其定义为（41）HBI0LM1由于应用场合的不同，实际使用的磁导率可能不是初始磁导率I，而是有效磁导率E。最大磁导率M或振幅磁导率A。等参数。但在一般情况下，I高的材料，其E、M、A。也较高，故通常把I作为磁性材料的基本参数。初始磁导率I不仅与磁场、频率有关，也与使用的温度有关。居里CURIE温度是衡量铁氧体磁性材料温度特性的指标，是铁氧体保持其磁特性的临界温度。当温度超过铁氧体材料的居里温度时，初始磁导率I急剧下降，磁性材料转变为非磁性材料。当温度降至居里温度以下后，铁氧体材料的磁特性又会恢复。铁氧体材料的居里温度一般约为150400摄氏度，其值因具体材料而异。铁氧体材料的初始磁导率I越高，其居里温度越低。软磁铁氧体初始磁导率的温度特性如图42所示。图42初始磁导率的温度特性另外，外加的电、磁、光、热和机械的冲击，都会对材料的初始磁导率产生一定的影响。材料的初始磁导率还会随着时间增长而不断下降，若这种变化是由材料的结构变化而引起的不可逆变化，则称为磁老化。412复数磁导率、损耗、磁谱及截止频率本节将对软磁铁氧体的其他基本特性进行简单的介绍。复数磁导率在交变磁场的作用下，铁氧体材料会被反复磁化。设交变磁场为（42）JETMH由于软磁铁氧体的磁滞现象，在交变磁场中的磁感应强度B总落后外磁场H一个相角，因此（43）TJMEB根据磁导率的定义有（44）SINCOS000MMTJMHBJEHB（45）SIN0MB则铁氧体材料的磁导率可以表示为复数（46）J由此可知交变磁场中的软磁铁氧体的磁导率不再是实数而是复数。其实数部分召正比于能量的存储，它表征磁化时的可逆过程，构成磁性材料的电感虚数部分正比于磁能的损耗，它表征磁化时的非可逆过程，构成磁性材料的阻抗。B落后于H的相位差称为损耗角。损耗在实际应用中，常采用”与的比值来表征铁氧体材料的损耗特性。（47）TANCOS/IMHBTAN称为损耗角正切，一般希望它越小越好。实践中还常采用比损耗系数又称比损耗正切、损耗因数TAN/I来表示软磁铁氧体材料的性能。在弱磁场下有48CABEFMITN2上式称为列格公式，其中F为工作频率，BM为磁芯在工作时的最大磁感应强度。式48中，第一项为比涡流损耗，。为涡流损耗系数第二项为比磁滞损耗，A为磁滞损耗系数第三项为比剩余损耗。软磁铁氧体材料的损耗主要由上述三种损耗组成即涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗。涡流损耗是由交变磁场电磁感应所引起的涡流的焦耳热效应造成的能量损耗。降低涡流损耗的关键是减小磁芯的厚度或半径和提高材料的电阻率P。常用软磁铁氧体材料的电阻率风101010M此金属软磁切_102M高得多，所以对一些尺寸不大的铁氧体磁芯其涡流损耗可以忽略。另外，铁氧体的涡流损耗也与温度有关，其涡流损耗随温度升高而增大。磁滞损耗是指软磁铁氧体材料在交变场中存在不可逆磁化而形成磁滞回线所引起的被材料吸收掉的功率。单位体积材料每磁化一周的磁滞损耗就等于磁滞回线的面积所对应的能量。软磁铁氧体材料的磁滞回线的面积远小于其它磁性材料的磁滞回线面积，磁滞损耗相应也比较小。剩余损耗是软磁铁氧体材料除涡流损耗和磁滞损耗以外的一切损耗。剩余损耗的大小一方面决定于铁氧体材料的物理特性，另一方面还和环境温度与频率有密切关系。3截止频率在高频磁场下，软磁铁氧体材料的产值下降为起始值一半且产”值达到峰值时的频率称为软磁铁氧体的截止频率F。每种铁氧体材料的IF乘积是相等的，即不同成分的铁氧体材料都满足（49）常数RIF上式称为斯诺克SNOKE公式。这个公式给出了获得高频高磁导率软磁铁氧体材料的理论极限。一般认为，截止频率是铁氧体材料的应用频率极限，这样才能保证软磁铁氧体材料有高的产值和低的产值。当铁氧体材料工作在截止频率以上时损耗会急剧增加，铁氧体抑制元件就是利用这个特点工作的。413铁氧体磁芯的选择铁氧体磁芯磁导率的选择对共模电感性能的影响很大。磁芯应选择初始磁导率大的材料，这样较少的绕制匝数就可获得较大的电感量。但初始磁导率越大的磁材往往频率特性较差，铁氧体磁导率越高，滤波器的低频效果越好，高频效果却越差。在选择铁氧体材料时，要综合考虑高、低频抑制的需求，选择合适的磁导率。铁氧体初始磁导率的选择要折衷，一般选择锰锌、镍锌铁氧体，其中镍锌铁氧体的高频特性略好于锰锌铁氧体。但是镍锌铁氧体材料的电感量不高，同样体积的锰锌和镍锌铁氧体材料，使用相同的线绕制，在200KHZ时，镍锌的电感量只有锰锌的1/8左右。使用镍锌材料时，低频的抑制作用会有所衰减。目前环型锰锌铁氧体磁芯的角可达1000015000，是EMI电源滤波器选用的主流磁芯。使用时可粗略的分为以下几个等级2K,4K,6K,8K,10K,12K,16K。在实际挑选磁芯时，用于交流滤波器的铁氧体磁芯，磁导率可以选择8K左右的，通用性比较好，同时兼顾了低频和高频的要求。而直流滤波器一般需要抑制的频率都比较低，磁芯的磁导率要高于交流滤波器，磁导率选择L0K左右比较合适。本示例中选择的磁导率为9K左右。环型锰锌铁氧体磁芯一般使用的是径向厚度很小、截面均匀的磁环，可以认为其环内的磁场分布是基本均匀的，因此可以根据磁环的实际尺寸来确定磁路的长度L和截面积A。对于如图44所示的环型磁芯，其有效磁路长度LE和有效截面积AE分别为（410）/LNDDE（411）2/HA式中，D为环型铁氧体磁芯的外径，D为内径，H是磁芯厚度。图44环型铁氧体磁芯有效磁路长度LE和有效截面积AE是进行电感量估算的重要参数。在实践中，通常把LE/AE称为磁芯的尺寸常数，用C1表示/LN21DDHALCC1M的单位为M1，它反映了磁芯形状对磁芯线圈电感量的影响25J。在相同的磁芯体积下，C小的磁芯可获得更大的电感量。若将磁芯高度H增加一倍，则磁芯体积加倍的同时，电感量也增加一倍。而通过磁芯内径D或外径D的变化使磁芯体积加倍时，电感量只增加大约40。因此，若设计的EMI电源滤波器高度允许，使用厚度较大的磁芯或采用两只磁环叠绕的形式是增大电感量的较好方法。414软磁铁氧体与超微晶磁芯的配合使用软磁铁氧体磁芯适用于几千赫兹到几百兆赫兹的频率范围。当干扰噪声频率和有用信号频率靠的比较近或EMI电源滤波器要求滤除干扰信号的频率范围很宽时，仅使用铁氧体磁芯的单级滤波器就起不到作用，此时需要选用铁氧体与超微晶磁芯配合使用的多级滤波器。超微晶主要用于低频抑制，在低频时衰减比较大，低频的范围大概在3050KHZ周围，其磁导率产约为锰锌铁氧体的4倍。超微晶磁芯绕制的共模电感值随频率变化非常大，主要表现在1K到100K之间。铁氧体在高频下衰减比较稳定，衰减值比较大。因此，为了获得宽的抑制频率范围，将两种磁芯结合使用用于共模滤波。多级滤波器是多个单级滤波器的组合，双环多级滤波器如图45所示。有时受体积等客观因素的影响，单级滤波器元件的体积较大，也会采用多级滤波器，这样每一级的电感电容的体积相对较小一些。图45双环EMI电源滤波器多级滤波器的电路分析与单级滤波器大致相同，此处不再赘述。差模电容并联的泄放电阻是为了在不工作时迅速泄放储存在差模电容中的电荷，以免电击操作人员，一般使用的泄放电阻是33M的金属膜电阻。42滤波器分立元件的设计选择了正确的滤波电路参数值并不意味着就一定能设计出性能优良的EMI电源滤波器，对实际元器件的考量和选择也是相当重要的。421共模扼流圈共模扼流圈是前文中一直讨论的共模电感，是抑制共模干扰信号的主要工具。共模扼流圈是在铁氧体磁环闭磁路的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。理想的共模扼流圈仅削弱共模电流，对需要的差模信号或功率并没有影响。但在实际绕制中，上下两个线圈不可能完全相同，因此共模扼流圈总会存在一些漏电感，所以会对差模信号造成一