开关电源滤波器设计

1、开关电源滤波器设计(一)一、前言传导 EMI 是由电源、信号线传导的噪声，连接在同一电网系统中的设备所 产生的 EMI会经过电源线相互干扰，为了对传到 EMI 进行抑制，通常在设备宇电 源之间加装滤波器，本文主要探讨开关电源的EMI 滤波器设计方法。二、开关电源的传到 EMI 来源与组成开关电源的噪声包含有共模和差模两个分量，此两分量分别是由共模电流和 差模电流所造成的。图一所示为共模电流和差模电流的关系图，其中 LISN 为电 源传输阻抗稳定网络，是传导性 EMI 量测的重要工具。在三线式的电力系统中， 由电源所取得的电流依其流向可分为共模电流和差模噪声电流。其中，共模噪声电流 ICM 指的

2、是 Line、Neutral 两线相对丁接地线(Ground)之噪声电流分量， 而差模噪声电流 IDM 指的是直接流经 Line 和 Neutral 两线之间而不流经过地线 之噪声电流分量。开关电源图一共模电流和差模电流之关系图在 Line 上，共模噪声电流和差模噪声电流分量是以向量和的关系结合，而 在 Neutral上，共模噪声电流和差模噪声电流分量 JW 是以向量差的关系结合， 两者的关系以数学式表小如下：k二LJJ其中，为流经 Line 之总噪声电流，为流经 Neutral 之总噪声电流。为了有效抑制噪声，我们必须金十对噪声源的产生及其耦合路径进行分析。共 模噪声主要是由电路上之 Pow

3、er MOSFET(Cq，快速二极体(Cd)及高频变压器(Ct) 上之寄生电容和杂散电容所造成的，如图二所示。而差模噪声同由电源电路初级端的非连续电流及输入端滤波大电容(CB)上的寄生电阻及电感所造成,如图三所示。开关电源滤波器设计(二)三、EMI 滤波器的基本架构本文所使用的 EMI 滤波器的架构如图四所示，其中的元件包含了共模电感 (LC)、差模电感(LD)、X 电容(CX1、CX2)、Y 电容(CY),以下将对各元件作-，- -二E q - - *-图四EMI滤波器的架构1 共模电感(CM inductor):共模电感是将两组线圈依图五的绕线方式绕在一个铁心上，这种铁心一般是采用高值的

4、Ferrite core，由丁值较高，故电感值较高，典型值是数 mH 至 U 数十 mH之间。图五上的绕线方式会使差模电流相互抵消，故对差模而言不具有 电感的效果，也不易使铁心饱和。反之对共模电流而言，其所产生的磁通会加倍， 所以具有电感的效果。一般而言，耦合电感均有漏电感，因此，绕组对差模电流 所产生的磁通无法完全抵消，这对差模噪声的衰减将会有所效用。 另一方面对共 模电流而言，因为磁通无法完全加倍，这将使得共模电感值降低。共模电感的漏感量测方式如图六所示，将两绕组其中一端连接，由另一端量图二共模电流耦合路径图三差模电流耦合路径测电感值，此量测到的感值即是共模电感的漏感量，可表示成2(LC-

5、M),其中 M 表示两绕组之间的互感在滤波器中共模电感的两个绕组是并联的，以图七为例，理想上，上下两线圈所产生的磁通量是图八的两倍，由丁电感的定义是 L=4 /I?，其中？是磁通链 (Fluxlinkage) , I 是线圈电流，故上下两线圈的各别感值是图八的两倍，不过 两者乂是并联，并联后的感值将和图七相同，故等效的共模电感是LC 而不是LC/2图七测量共模电感的两线圈图八测量共模电感的一个线圈2. 差模电感(DM inductor):差模电感必须流过交流电源电流，一般是采用 ？值较低的铁粉心(Iron powdercore)，由丁？值较低所以感值较低，典型值是数十 uH 到数白 uH 之间

6、。3. X 电容：X 电容是装在 L、N 之间，一般是选用高容值的金届膜电容，容值由 0.1uF到 1uF。4. uY 电容：Y 电容是装在 L-G、N-G 之间的电容，通常以成对、相等的容值对 K 的出?I 在滤波器上，其大小必须要符合安规的限制。开关电源滤波器设计(三)四、EMI 滤波器之 CM DM 等效电路推导及衰减度的评估图五共模电感模电感的漏感测量法0在本文推导等效电路的过程当中，我们把 CM 电感的漏电感部分，全部并入DM 电感 LD 当中。其 CM 和 DM 等效电路的绘制方法如下：1. CM 的等效电路:欲求图四 EMI 滤波器之 CM 等效模型，其步骤如下: a.将所有的

7、X 电容消去，如图九所示。b.以接地点为对稠点将电路对折，其等效 CM 电感量等丁尚未对折电路之电 感量，而DM 电感由丁并联的关系，其等效电感量为原本的一半，而 Y 电容的等 效电容并联成尚未对折电路的两倍，LISN 提供的二个 50 Q 负载并联成 25 Q 的 等效负载，如图十所示。干扰源 图十 EMI 滤波器的 CM效模型之二2. DM 等效电路：欲求图四之 EMI 滤波器 DM 等效模型推导步骤如下：a. 拿下所有的接地点，简化申联的 Y 电容，如图一。b. 将 CM 电感取掉，再将 DM 电感放到一边，使其为原来的二倍，如图十二 接着我们决定：干扰源 图EMI 滤波器的 DMI?效

8、模型之一干扰源图九 EMI 滤波器的 CM效模型之一干扰源 图十二 EMI 滤波器的 DM效模型之二1. CM 部份的衰减度图十中的 CM 噪声若为开关电源，JW 可以将其等效成一个电流源，如图十三 所示。一般而言，我们习惯以电压变数来观察电路的特性，因此我们运用电路理论中的互易定理(Reciprocity theorem)将其转换成如图十四所示的电路。由图十四很容易可以看出它是一个二陪的 LC 滤波器，其衰减度是以 40dB/dec 的 斜率增加的，如图十五所示，其转折频率为：其中Lm =+ - LuLcHi=2CV扪所以当噪声分离器量到 CM 噪声后，便可以决定元件值来计算衰减度以压抑 噪

9、声。2. DM 部份的衰减度图十三中的 DM 噪声若为开关电源，JW 其等效模型将如图十六所示。其中开图十四互易定理后之CM等效电路图十三CM的等效电路关的切换频率是二倍的市电频率，所以图十二可更详细的表示成图十七。图十六开关电源DM噪声等效模型图十七开关电源装严滤波器之DM噪声等效模型考虑图十七之差模等效电路，依开关的状态分成开关ON 和 OFF 两种型态进行讨论：1.开关 OFF 时：图十七可以化简成图十八之等效电路，我们可以运用电路 理论中的”互易定理”将图十八化简成图十九之等效电路，图十八的电流衰减度等 丁图十九中的反向电压衰减度。 由丁 1/ 3 CX2 远小丁 ZP（ZP 通常大丁

10、 10kW）,故 ZP 可以拿掉，其中 100QWO CX1 对衰减噪声也有作用，可是为了方便起见将它 省略掉。开关 OFF 时的 DM 等效电路如图二十所示，由丁此种作法是将原本衰减 度 60dB/dec 的地方以 40dB/dec 来低估，所以严定的元件值会稍大，而其他方 面并无影响。图十八图十七之简化图图十九图十八之简化图图二十开关OFF时DM等效电路之简化图2.开关 ON 时：图十七可以化简成图二十一之等效电路，由丁 1/3 CX1 极小 丁 100VV可将 100 皿阻省略而化简成图二十二之等效电路。由丁 S Z 很小（S Z M - (AT- DM )1*- I V( ,Ult +

11、 MBMisDMXBT顽AB十 曲(121其中 Ei.,心瑚是指规范值，加上 6dB 的主要目的是考虑当共模噪声和差模噪声 被衰减至规范标准时，有可能发生相位相同或相位相差 1800 而使得火线和中性 线之总电压噪声大小超过规范的情沉。为了避免这种情形发生，在计算衰减量时可先将标准严定丁比规范限制小 6dB 之处，亦即使噪声抑制之要求更为严格， 以避免滤波后噪声大小仍会超过规范限制。3.计算转折频率(Corner frequency)将雀步骤 2 所得的共模和差模衰减量IEE加与 Zmz 皿，依其对应丁频 率的关系分别画在半对数纸上，横轴单位为Hz 纵轴单位为 dBuM 如图二十五所示。以共模

12、噪声为例，在对数图中作一倏斜率为+40dB/dec 之斜线，将此斜线由 规范之最低频率平行往右移动，使其与 CM 衰减曲线相切丁一点，而且 CM 甚减 曲线完全位丁此斜线的下方。此时该斜线会与横轴相交丁一点，此交点所对应之 频率即为共模低通滤波器之转折频率队同理可求得差模低通滤波器之转折频率 Rg。4.计算滤波器元件值滤波器元件之电感、电容值越大，月其对噪声之衰减能力越强，且可达到之 转折频率越低，对低频噪声之抑制效果越佳，但相对地必须付出成本、体积 增加的代价。由材料特性可知，当电感、电容之值越大时，元件阻抗特性的自共 振频率越低，可持续衰减噪声之频率范围相对变窄，因此其值不可无限制增大。考

13、虑电容值对体积的变化率较电感值来得小，而且市售之电容器都有固定之容值，较缺乏弹性，所以在决定共模和差模滤波器的元件值时， 我们将优先考虑电 容，在安规限制许可下，尽量选用较大的容值。本文所采用的 EMI 滤波器架构 如图四所示，其中X 电容可滤除 DM 噪声，而 Y 电容可滤除 CM 噪声。a.共模滤波器元件(共模电感(LC)、Y 电容(CY)由丁 Y 电容是跨接丁电力线的两线和地线之间，基丁漏电流的限制，Y 电容不能选用太大，以能合乎安规之最大值为主。 选取 CY 之值后，利用步骤 3 所计算得到的共模转折频率 fR,CM,可计算出所需共模电感之值如下:b.差模滤波器元件（差模电感（LD）、

14、X 电容（CX1、CX2）Cx1 和 Cx2 采用相同的元件值 CDM 而此值可由 fc, DM 与 LD 求得:其中， 可由步骤 3 求得，但 以和8 为未知数，因此对丁元件值的决 定，设计者有相当大的弹性空间可自行决定。若闵值取的越大，|J 项可取越小之值，反之亦然。但滤波器元件值的选用必须考量滤波器对电路本身所造成的 影响，例如稳定性和工作性能等因素。六、实验实例以一部市售 250W 半桥式电源（规格如表 1）为例，设计一个 EMI 滤波器， 使其符合VDE Class B 的规范，图二十六所示为利用差模反射网络（Differential mode rejection network , DMRN 作为噪声分离器的噪声量测 系统所量测到未经滤波的 CM 噪声频谱，图二十七为 DM 噪声频谱，依据前一节 的方法，计算出 CX= 0.47 pF、C Y = 3300 pF、L C= 3.38 mH、LD =