电源滤波器的设计探讨

1、电源滤波器的设计探讨由 创新网小编 于 星期一, 2014-11-24 15:57 发表摘要： 电源EMI 滤波器是一种抑制传导发射和辐射发射非常有效的方法。分析了电源线上的干扰类型， 开关电源产生EMI 的原理及其拓扑结构。讨论了电源EMI 滤波器的设计和器件选取原则， 并提出有关安装电源EMI 滤波器时应注意的几个问题。1 引言电磁干扰（EMI） 是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。它分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰又可分为共模干扰和差模干扰。辐射干扰也可分为共模干扰和差模干扰。造成EMI 的3 种因素是：1） 电磁干扰源；2） 被干扰的敏感设备；3） 耦合路径

2、或称为耦合通道。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、金属制品等作为电流的返回路径。差模干扰是指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。2 EMI 滤波器的插入损耗在开关电源中， 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， 所以在设计EMI 电源滤波器上， 就是对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。一般性能

3、的电源滤波器的结构如图1 所示：电源滤波器一般用来抑制30 MHz 以下频率范围的噪音， 但对30 MHz 以上的辐射发射干扰也有一定的抑制作用。根据开关电源共模、差模干扰的特点， 可以按干扰的分布大概划分为3 个：0.150.5 MHz 差模干扰为主；0.55 MHz 差模、共模干扰共存；530 MHz 共模干扰为主；其简单的列线图， 如图2 所示。EMI 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。它是频率的函数。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P1和接入滤波器后， 噪声源传输到负载的功率P2之比

4、， 用dB （分贝） 表示。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。滤波器接入前后的电路如图3 和图4 所示。以一般电源滤波器为例， 利用二端口网络结构来推出插入损耗的基本计算公式。将电路分解为共模等效电路和差摸等效电路， 如图3、4 所示。其中LCM是等效共模电感； LDM是等效差模电感。Le是在绕制共模扼流圈时产生的不平衡漏电感。由图3 与式（3） 得出共模等效电路的A 参数矩阵：由图4 与式（3） 得出差模等效电路的A 参数矩阵：一般来说， 在允许的条件下， 滤波电容的容量越大越好。在用于交流滤波器时， 共模电容必须小于0.01 F， 如

5、2 2004 700 PF， 差模电容要求取值在15 F 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0.68 F。2 EMI 的测量由于差模干扰和共模干扰产生的机理不同， 形成的回路不同， 也就必须采用不同的一直方法， 因此， 滤波器的设计也就不同。在干扰测量中如何分辨差模及共模干扰就成为电源EMI 滤波器设计的首要问题。常用的干扰信号分离方法有： 电流探棒（Current probe） 、差模拒斥网络（Differential-Mo

6、de Rejection Network， DMRN） 以及干扰分离器（Noise Separator） 等。3 EMI 滤波器的设计进行EMI 电源滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则： 满足最大阻抗失配， 插入损耗尽可能地增大， 也就是尽可能地增大信号反射。对于电源EMI 滤波器与源或负载的接口端， 如果源内阻和负载是阻性或感性的， 与之连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， 与之连接的滤波器接口就应该是感性的。3.1 方法一：a） 利用噪声分离的方法， 分别测量在未接滤波器时的共模干扰VCM （ dB） 和差模干扰VDM（dB）， 根据设备自身所需求的标准来设定滤波

7、器所需要达到的衰减量。由共模、差模干扰的测量结果与标准限值， 加上适当的裕量可得到滤波器的插入损耗。在实际设计时还需要加上6 dB 的安全余量。式 （10） 中： 3 dB在分离共模、 差模传导干扰的测试过程中， 测试结果比实际值大3 dB；M （dB） 设计裕量， 即 6 dB；Vlimit （ dB） 相关标准 （如 CISPR、 FCC、VDE） 规定的传导干扰限值。因此， 根据（11） 式的计算便可做出插入损耗与频率的对应关系。b） 计算元件参数。EMI 电源滤波器通常希望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。

8、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， 可以先不考虑源阻抗和负载阻抗是否匹配的问题。采用测量滤波器插入损耗时使用的标准源、负载阻抗值： Rs=50 ， R1=50 。根据所确定的参数和式（11） 得出等效共模电感。等效差模电感的值与共模电感的计算值大致相同。EMI 电源滤波器的设计如同其它类型的电路设计一样， 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。3.2 方法二：与方法一相比较， 方法二避开了阻抗处于失配状态的问题。在这里将引入滤

9、波器设计阻抗Rd， 截止频率f0、Rd是最低输入电压除去最高输入电流，截止频率f0则与EMC 标准规定的相应频段下的插入损耗值以及滤波器电路的形式有关。步骤如下：需要注意的是， 按照上面方法计算出来的截止频率可能并不能满足实际的需要， 为了不影响整个电源系统的稳定或者改变电网电压的波形， 要求截止频率大于15 倍的电网频率。EMI 电源滤波器电路中的共模扼流圈电感L和共模电容CY的计算方法如下：上式计算的C 值并不能满足漏电流的要求，可以用满足漏电流要求的CY， 它的取值与方法一相同。L 和CY为滤波器实际使用的数值， 差模等效电路中的参数可以参考经验值或者用方法一取得。4 EMI 滤波器的安装a） 滤波器的输出线最好采用双绞线。b） 必须很好地解决滤波器的接地问题， 外部滤波器和电源板的接地都是连接在机箱的外壳上，连接线和机箱体之间形成一个很大的地环路。如果机箱在搭接的时候处理不好或者焊接不紧密， 就会在两个滤波器的接地点之间形成一个等效的串联阻抗， 导致两个接地点间的电位不相同， 在地线上产生电流， 形成共模干扰信号。c） EMI 电源滤波器印刷电路板的设计非常重要， 为了保证滤波器能够有效地抑制干扰噪声信号， 对功率线和地线的走线方式和布局问题