开关电源EMI滤波器原理与设计研究

1、开关电源源EMII滤波器器原理与与设计研研究摘要：在在开关电电源中，EMII滤波器器对共模模和差模模传导噪噪声的抑抑制起着着显著的的作用。在研究究滤波器器原理的的基础上上，探讨讨了一种种对共模模、差模模信号进进行独立立分析，分别建建模的方方法，最最后基于于此提出出了一种种EMII滤波器器的设计计程序。 关键词：开关电电源；EEMI滤滤波器；共模；差模 0 引言言 高频开开关电源源由于其其在体积积、重量量、功率率密度、效率等等方面的的诸多优优点，已已经被广广泛地应应用于工工业、国国防、家家电产品品等各个个领域。在开关关电源应应用于交交流电网网的场合合，整流流电路往往往导致致输入电电流的断断续，这

2、这除了大大大降低低输入功功率因数数外，还还增加了了大量高高次谐波波。同时时，开关关电源中中功率开开关管的的高速开开关动作作（从几几十kHHz到数数MHzz），形形成了EEMI（eleectrromaagneeticc innterrferrencce）骚骚扰源。从已发发表的开开关电源源论文可可知，在在开关电电源中主主要存在在的干扰扰形式是是传导干干扰和近近场辐射射干扰，传导干干扰还会会注入电电网，干干扰接入入电网的的其他设设备。 减少传传导干扰扰的方法法有很多多，诸如如合理铺铺设地线线，采取取星型铺铺地，避避免环形形地线，尽可能能减少公公共阻抗抗；设计计合理的的缓冲电电路；减减少电路路杂散电电

3、容等。除此之之外，可可以利用用EMII滤波器器衰减电电网与开开关电源源对彼此此的噪声声干扰。 EMII骚扰通通常难以以精确描描述，滤滤波器的的设计通通常是通通过反复复迭代，计算制制作以求求逐步逼逼近设计计要求。本文从从EMII滤波原原理入手手，分别别通过对对其共模模和差模模噪声模模型的分分析，给给出实际际工作中中设计滤滤波器的的方法，并分步步骤给出出设计实实例。 1 EMMI滤波波器设计计原理 在开关关电源中中，主要要的EMMI骚扰扰源是功功率半导导体器件件开关动动作产生生的dvv/dt和di/dt，因而而电磁发发射EMME(EElecctroomaggnettic Emiissiion)通常

4、是是宽带的的噪声信信号，其其频率范范围从开开关工作作频率到到几MHHz。所所以，传传导型电电磁环境境（EMME）的的测量，正如很很多国际际和国家家标准所所规定，频率范范围在00.155300MHzz。设计计EMII滤波器器，就是是要对开开关频率率及其高高次谐波波的噪声声给予足足够的衰衰减。基基于上述述标准，通常情情况下只只要考虑虑将频率率高于1150kkHz的的EMEE衰减至至合理范范围内即即可。 在数字字信号处处理领域域普遍认认同的低低通滤波波器概念念同样适适用于电电力电子子装置中中。简言言之，EEMI滤滤波器设设计可以以理解为为要满足足以下要要求： 1）规规定要求求的阻带带频率和和阻带衰衰

5、减；（满足某某一特定定频率ffstoop有需需要Hstoop的衰衰减）； 2）对对电网频频率低衰衰减（满满足规定定的通带带频率和和通带低低衰减）； 3）低低成本。 1.1 常用低低通滤波波器模型型 EMII滤波器器通常置置于开关关电源与与电网相相连的前前端,是是由串联联电抗器器和并联联电容器器组成的的低通滤滤波器。如图11所示，噪声源源等效阻阻抗为ZZsouurcee、电网网等效阻阻抗为ZZsinnk。滤滤波器指指标（ffstoop和Hstoop）可可以由一一阶、二二阶或三三阶低通通滤波器器实现，滤波器器传递函函数的计计算通常常在高频频下近似似，也就就是说对对于n阶滤波波器，忽忽略所有有k相关

6、项项（当kkn），只只取含n相关项项。表11列出了了几种常常见的滤滤波器拓拓扑及其其传递函函数。特特别要注注意的是是要考虑虑输入、输出阻阻抗不匹匹配给滤滤波特性性带来的的影响。 图1 滤滤波器设设计等效效电路表1 几几种滤波波器模型型及传递递函数 1.2 EMII滤波器器等效电电路 传导型型EMII噪声包包含共模模（CMM）噪声声和差模模(DMM)噪声声两种。共模噪噪声存在在于所有有交流相相线(LL、N)和共模模地(EE)之间间，其产产生来源源被认为为是两电电气回路路之间绝绝缘泄漏漏电流以以及电磁磁场耦合合等；差差模噪声声存在于于交流相相线(LL、N)之间，产生来来源是脉脉动电流流，开关关器件

7、的的振铃电电流以及及二极管管的反向向恢复特特性。这这两种模模式的传传导噪声声来源不不同，传传导途径径也不同同，因而而共模滤滤波器和和差模滤滤波器应应当分别别设计。 显然，针对两两种不同同模式的的传导噪噪声，将将其分离离并分别别测量出出实际水水平是十十分必要要的，这这将有利利于确定定那种模模式的噪噪声占主主要部分分，并相相应地体体现在对对应的滤滤波器设设计过程程中，实实现参数数优化。在文献献6和77中，提供了了两种用用于区分分共模和和差模噪噪声的噪噪声分离离器，他他们能有有选择地地对共模模或差模模噪声至至少衰减减50ddB，因因而可有有效地测测量出共共模和差差模成分分。分离离器的原原理和使使用超

8、出出了本文文的讨论论范围，详细内内容可见见参考文文献66和7。 以一种种常用的的滤波器器拓扑图2(a)为例，分别对对共模、差模噪噪声滤波波器等效效电路进进行分析析。图22(b)及图22(c)分别代代表滤波波器共模模衰减和和差模衰衰减等效效电路。分析电电路可知知，Cx1和Cx2只用用于抑制制差模噪噪声，理理想的共共模扼流流电感LLC只用于于抑制共共模噪声声。但是是，由于于实际的的LC绕制的的不对称称，在两两组LC之间存存在有漏漏感Lg也可用用于抑制制差模噪噪声。CCy即可抑抑制共模模干扰、又可抑抑制差模模噪声，只是由由于差模模抑制电电容Cx2远大大于Cy，Cy对差模模抑制可可忽略不不计。同同样，

9、LLD既可抑抑制共模模干扰、又可抑抑制差模模干扰，但LD远小于于LC，因而而对共模模噪声抑抑制作用用也相对对很小。 （a）常常用的滤滤波器拓拓扑（b）共共模衰减减等效电电路（c）差差模衰减减等效电电路图2 一一种常用用的滤波波器拓扑扑 由表11和图22可以推推出，对对于共模模等效电电路，滤滤波器模模型为一一个二阶阶LC型型低通滤滤波器，将等效效共模电电感记为为LCM，等等效共模模电容记记为CCM，则则有 LCMM=LCLD（1） CCMM=2Cy（2） 对于差差模等效效电路，滤波器器模型为为一个三三阶CLLC型低低通滤波波器,将将等效差差模电感感记为LLDM，等等效差模模电容记记为CDM（令令

10、Cx1=Cx2且认认为Cy/2LD）（66） CLCC型滤波波器截止止频率计计算公式式为 fR,DM=（7） 将式（3）及及式（44）代入入式（77），则则有 fR,DM=（8） 在噪声声源阻抗抗和电网网阻抗均均确定，且相互互匹配的的情况下下，EMMI滤波波器对共共模和差差模噪声声的抑制制作用，如图33所示。 图3 滤滤波器差差模与共共模衰减减2 设计计EMII滤波器器的实际际方法 2.1 设计中中的几点点考虑 EMII滤波器器的效果果不但依依赖于其其自身，还与噪噪声源阻阻抗及电电网阻抗抗有关。电网阻阻抗Zsinnk通常常利用静静态阻抗抗补偿网网络(LLISNN)来校校正，接接在滤波波器与电电

11、网之间间，包括括电感、电容和和一个550电电阻，从从而保证证电网阻阻抗可由由已知标标准求出出。而EEMI源源阻抗则则取决于于不同的的变换器器拓扑形形式。 以典型型的反激激式开关关电源为为例，如如图4（a）所所示，其其全桥整整流电路路电流为为断续状状态，电电流电压压波形如如图5所所示。对对于共模模噪声，图4(b)所所示Zsouurcee可以看看作一个个电流源源IS和一个个高阻抗抗ZP并联；图4(c)中中对于差差模噪声声，取决决于整流流桥二极极管通断断情况，Zsouurcee有两种种状态：当其中中任意两两只二极极管导通通时，ZZsouurcee等效为为一个电电压源VVS与一个个低值阻阻抗ZS串连；

12、当二极极管全部部截止时时，等效效为一个个电流源源IS和一个个高阻抗抗ZP并联。因而噪噪声源差差模等效效阻抗ZZsouurcee以2倍倍工频频频率在上上述两种种状态切切换22。 （a）典典型反激激式开关关电源（b）共共模噪声声源等效效电路（c）差差模噪声声源等效效电路图4 典典型反激激式开关关电源及及其噪声声源等效效电路图5 电电源输入入端电压压、电流流波形 在前述述设计过过程中，EMII滤波器器元件（电感、电容）均被看看作是理理想的。然而由由于实际际元件存存在寄生生参数，比如电电容的寄寄生电感感，电感感间的寄寄生电容容，以及及PCBB板布线线存在的的寄生参参数，实实际的高高频特性性往往与与理想

13、元元件仿真真有较大大的差异异。这涉涉及到EEMC高高频建模模等诸多多问题，模型的的参数往往往较难难确定，所以，本文仅仅考虑EEMI滤滤波器的的低频抑抑制特性性，而高高频建模模可参看看文献8等等。故ZZS及ZP取值与与这些寄寄生电容容、电感感以及整整流桥等等效电容容等寄生生参数有有关，直直接采用用根据电电路拓扑扑及参数数建模的的方案求求解源阻阻抗难以以实现，因而，在设计计中往往往采用实实际测量量Zsouurcee。 2.2 实际设设计步骤骤 EMII滤波器器设计往往往要求求在实现现抑制噪噪声的同同时，自自身体积积要尽可可能小，成本要要尽可能能低廉。同时，滤波效效果也取取决于实实际的噪噪声水平平的

14、高低低，分析析共模和和差模噪噪声的干干扰权重重，为此此，在设设计前要要求确定定以下参参量，以以实现设设计的优优化。 1）测测量干扰扰源等效效阻抗ZZsouurcee和电网网等效阻阻抗。实实际过程程中往往往是依靠靠理论和和经验的的指导，先作出出电源的的PCBB板，这这是因为为共模、差模的的噪声源源和干扰扰途径互互不相同同，电路路板走线线的微小小差异都都可能导导致很大大EMEE变化。 2）测测量出未未加滤波波器前的的干扰噪噪声频谱谱，并利利用噪声声分离器器将共模模噪声VVMEAASURREE,CM和和差模噪噪声Vmeaasurre,CCM分离离，做出出相应的的干扰频频谱。 接着就就可以进进行实际际

15、的设计计了，仍仍以本文文中提出出的滤波波器模型型为例，步骤如如下。 （1）依照式式（9）计算滤滤波器所所需要的的共模、差模衰衰减，并并做出曲曲线Vmeaasurre，CCMf和Vmeaasurre，DDMf，其中中Vmeaasurre，CCM和Vmeaasurre，DDM已经经测得，Vstaandaard，CM和和Vstaandaard，DM可可参照传传导EMMI干扰扰国标设设定。加加上3ddB的原原因在于于用噪音音分离器器的测量量值比实实际值要要大3ddB。 (Vreqq,CMM)dBB=(VVmeaasurre,CCM)(Vstaandaard,CM)3ddB (Vreqq,DMM)dBB

16、=(VVmeaasurre,DDM)(Vstaandaard,DM)3ddB（99） （2）由图33可知，斜率分分别为440dBB/deec和660dBB/deec的两两条斜线线与频率率轴的交交点即为为fR,CCM和fR，DDM。作作Vmeaasurre，CCMf和Vmeaasurre，DDMf的切线线，切线线斜率分分别为440dBB/deec和660dBB/deec，比比较可知知，只要要测量他他们与频频率轴的的交点，即可得得出fR,CCM和fR，DDM，图图6所示示为其示示意图。 （a）实实线为共共模目标标衰减；虚线为为斜率为为40ddB/ddec切切线（b）实实线为差差模目标标衰减；虚线为

17、为斜率为为60ddB/ddec切切线图6fR,DDM与fR,CCM的确确定 （3）滤波器器元件参参数设计计 共共模参数数的选取取Cy接在相相线和大大地之间间，该电电容器容容量过大大将会造造成漏电电流过大大，安全全性降低低。对漏漏电流要要求越小小越好，安全标标准通常常为几百百A到到几mAA。 EMII对地漏漏电流IIy计算公公式为 Iy=2fCVVc（100） 式中：ff为电网网频率。 在本例例中，VVc是电容容Cy上的压压降，ff=500Hz，C=2Cy，Vc=2220/22=1110V，则 Cy=（111） 若设定对对地漏电电流为00.155mA，可求得得Cy22200ppF。将将Cy代入步

18、步骤（22）中求求得fR,CCM值，再将ffR,CCM代入入式（66）中可可得 Lc=（122） 差差模参数数选取 由式（8）可可知，CCx1，Cx2，以以及LD的选取取没有唯唯一解，允许设设计者有有一定的的自由度度。 由图22可知，共模电电感Lc的漏感感Lg也可抑抑制差模模噪声，有时为为了简化化滤波器器，也可可以省去去LD。经验验表明，漏感LLg量值多多为Lc量值的的0.5522。LLg可实测测获得。此时，相应地地Cx1、Ccx22值要更更大。 3 结语语 本文的的论述是是基于低低通滤波波器的低低频模型型分析。由于实实际元件件寄生参参数的影影响，尤尤其在高高频段更更加显著著，因而而往往需需要在第第一次确确定参数数之后反反复修正正参数，以及使使用低EESR和和ESLL的电容容，优化化绕制磁磁芯的材材料和工工艺，逐逐步逼近近要求的的技术指指标。 由于只只涉及到到单级滤滤波器的的设计，如LCC型滤波波器衰减减程度只只有400dB/decc，当