开关电源EMI滤波器的设计

于洪政 辽宁锦州渤海大学工学院

开关电源EMI滤波器的设计

于洪政 辽宁锦州渤海大学工学院

本文主要是对产生开关电源中引起电磁干扰的因素进行了介绍，设计开关电源电磁干扰（EMI）滤波器模型从而对噪声传播方式进行了分析，滤波器设计的基础主要是围绕着滤波器相应的开关电源对应的工作频率，计算简单，开关电源的工作频率不同，那么就会对应着不同的滤波器，接着本文介绍了相关的实例，进而说明设计的可行性。

滤波器 EMI 开关电源

开关电源的主要特征是高频率以及高效率，另外还包括了高功率密度以及高可靠性。但是因为开关器件的工作状态是高频通断的，从而造成了EMI情况恶劣。防止电磁干扰的方法可以分为三种，具体包括了接地、滤波以及屏蔽等。常常如果只选择屏蔽的方式，是无法起到防护电磁干扰的目的，其中最重要的手段就是选择滤波器的增加，从而将电磁干扰中沿着信号线进行切断，也可以选择切断电源线传播线，进而达到防电磁的目的。

1 开关电源EMI原理

1.1 分析干扰信号

干扰产生于开关电源中，根据噪声干扰源从而进行分类，主要包括谐波干扰与尖峰干扰等，如果根据耦合通路进行分类的话，那么包括了辐射干扰与传导干扰。目前的是根据噪声干扰源进行分类的。

①开关管。将脉冲电流通过开关管中，如果电流过大，那么很容易出现矩形波，这个脉冲电流流通过的变压器与该波形形成的短路电流所用到的导线的时候会与电感之间形成电磁场，进而产生了噪声源；②高频变压器。关断最初导通的开关管，高频变压器就会形成关断电压尖峰的情况，进而出现传导干扰的现象；③电感器、电容以及导线。开关电源因为工作频率很高，从而低频元器件的特点会因此发生改变，从而形成了噪声。

1.2 干扰信号频段分析

如果开关电源谐波电平的工作频率是超过30MHz的高频段时候，主要的表现形式是辐射干扰，如果开关电源中的谐波电平是处于低频段的时候，范围是从0.15MHz到30MHz，那么所展现的形式就是传导干扰。

传导干扰电流根据流动的路径包括了两种：分别是差模干扰电流和共模干扰电流。其中开关电源的差模干扰以及共模干扰彼此对应着频段是不同的，截止频率里面大概包括了3个频段，分别是小于0.5MHz，这个范围中的具体代表的是抑制差模干扰，而处于0.5MHz到1MHz之间的，共模与差模干扰是相互存在的，其中处于1MHz到30MHz之间的主要是围绕着抑制共模。

2 EMI滤波器建模

连接开关电源和交流电网，虽然开关电源作为一个单端口网络的形式存在，然而AC端口有两个，开关电源的主要形成部分包括了中线（N）、地线（E）以及相线（L）等。因此在具体的分析过程中把噪声源分为差模以及共模和噪声源。共模电流ICM特点是采用同样的幅度，在通过所有的AC线的时候，选择的是同样的相位。差模电流IDM特点是是在中线和相线之间来回。EMI滤波器衡量干扰噪声抑制能力选择的方法是Insertion Loss，也就是所谓的插入损耗。插入损耗含义是当滤波器不存在时，从滤波器接入到负载的功率P1接收噪声源以后与负载接收到的噪声源功率之间的比值。接入滤波器的前后过程的电路图如图1，图2所示。一般所用到的EMI滤波器结构具体包括了许多，滤波器结构电路如图3所示。IL=DB(P1/ P2)=10lg(P1/P2)，P1=V21/RL

图1 未接滤波器等效电路

图2 滤波器接入前等效电路图

3 EMI滤波器设计

3.1 选择电容和电感

图3 滤波器接入后等效电路图

通常的EMI滤波器里面的电容包括了两组，也就是有着共模抑制作用和差模抑制作用的两种，这两种分别在电源线间和地间。X电容的额定电压需要保持和电网电压是一样的，而且可以选择更大的容量，其中的典型值是0.2至1μF之间。当Y电容在合理的取值范围之间，Y可以不断增大，然而Y电容会造成人员电击的后果，因此需要限制控制最大漏电电流Ig，不同的产品规定了不同Ig值，通常下lg的值是从0到3mA之间变化。那么Y电容可以取到的容量最大值能够通过下面的公式计算得出：

公式中的Um表示的是电网电压。单位是V；fm表示的是电网频率，单位是Hz；Ig表示的是接地漏电流的可接受值，单位是mA。

3.2 EMI滤波器设计步骤

EMI滤波器需要有很好的工作特性，那么中选择元件的时候就要考虑到多方面因素。一般情况下选择的差模滤波电容是金属膜电容，其电容值比较大，自谐振频率的范围通常是1MHz到2MHz，在差模干扰信号的频率很低的情况下以起到很好的抑制作用，设计的过程中一般选择的值是从0.1mF到1mF为止。其中共模滤波器电容选择的是瓷片电容，自谐振频率达到了20MHz，因此在共模干扰信号中有着很好的抑制作用，而且在设计的过程中取值一般是从2300pF到6900pF之间。C2中形成的漏电流Iid计算公式如公式2所示。

公式2中的f代表的是电网频率；

C代表的是共模滤波电容，是C2的2倍；

U代表的是C2所可以承受的电压，大小是110V。

3.3 分析实例

下面介绍的是开关电源的EMI滤波器的设计过程，其中该开关电源的频率是160kHz。

图4 滤波器示意图

①抗共模干扰滤波器中的相关元件值计算。对于开关频率是160kHz来说，fCM选择的是30kHz。当C2取值是4800pF的时候，那么按照公式2，可以得出对应的Lid的值是等于0.67mA，Iid的值是比1.0mA小的，这个时候的C2是在正常的范围之内的。根据公式Iid=2C2fCM，代入C2以及fCM进行运算，从而能够得出L1的值是等于6.76mH。②抗差模干扰滤波器相关的元件值计算。根据开关频率所取得是160kHz，fDM选择的是16kHz，CDM是等于0.478μF。把fDM以及CDM代入到公式Iid=CDM/fDM中，能够知道LDM的值是为250μH。L1漏感的计算过程中，漏感和L1之间的关系是1%，所以L漏感等于67.6μH。接着再把LDM和L漏感相应的值代入到公式Iid=LDM/L中，从而可以得到L2的值是等于86.27mH。基于上面的运算后，能够得出EMI滤波器相关元件对应的数值，接着滤波器示意图如图4所示。

结语：不管是运用在测试滤波器中还是运用在接入滤波器中，接入的都并非是纯电抗，因此会产生实际接入阻抗和特性阻抗之间相互不匹配现象出现，因而无法获得所需要的衰减特征。要防止这种情况，就需要将阻抗匹配网络添加在具体的应用和滤波器的测试过程中。本文所提到的方法实现的EMI滤波器在一定程度上大大地抑制了噪声，而且对开关电源传导干扰因素大大地降低了。因为EMI滤波器的运用场合是不相同的，而且当处于高频的时候元件之间会形成寄生的效应，设计结果和实际运用效果之间是无法达到全部吻合的，尤其是当有EMI滤波器接入的时候，设备阻抗大小和产生的效果之间有着很大的关联。因此具体的应用情况不同，尤其是处于高频的状态下，依然要具体优化EMI滤波器。在运用的过程中如果添加了屏蔽盒，外接线减少，那么能够获得很好的EMI滤波器使用效果。

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