EMI濾波器應(yīng)用設(shè)計(jì)原理.doc

EMI濾波器設(shè)計(jì)原理高頻開關(guān)電源由于其在體積、重量、功率密度、效率等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、家電產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。在開關(guān)電源應(yīng)用于交流電網(wǎng)的場合，整流電路往往導(dǎo)致輸入電流的斷續(xù)，這除了大大降低輸入功率因數(shù)外，還增加了大量高次諧波。同時(shí)，開關(guān)電源中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動(dòng)作（從幾十kHz到數(shù)MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）騷擾源。從已發(fā)表的開關(guān)電源論文可知，在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾，傳導(dǎo)干擾還會注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備。 減少傳導(dǎo)干擾的方法有很多，諸如合理鋪設(shè)地線，采取星型鋪地，避免環(huán)形地線，盡可能減少公共阻抗；設(shè)計(jì)合理的緩沖電路；減少電路雜散電容等。除此之外，可以利用EMI濾波器衰減電網(wǎng)與開關(guān)電源對彼此的噪聲干擾。 EMI騷擾通常難以精確描述，濾波器的設(shè)計(jì)通常是通過反復(fù)迭代，計(jì)算制作以求逐步逼近設(shè)計(jì)要求。本文從EMI濾波原理入手，分別通過對其共模和差模噪聲模型的分析，給出實(shí)際工作中設(shè)計(jì)濾波器的方法，并分步驟給出設(shè)計(jì)實(shí)例。 1 EMI濾波器設(shè)計(jì)原理 在開關(guān)電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導(dǎo)體器件開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的dv/dt和di/dt，因而電磁發(fā)射EME(Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號，其頻率范圍從開關(guān)工作頻率到幾MHz。所以，傳導(dǎo)型電磁環(huán)境（EME）的測量，正如很多國際和國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，頻率范圍在0.1530MHz。設(shè)計(jì)EMI濾波器，就是要對開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。基于上述標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的EME衰減至合理范圍內(nèi)即可。 在數(shù)字信號處理領(lǐng)域普遍認(rèn)同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。簡言之，EMI濾波器設(shè)計(jì)可以理解為要滿足以下要求： 1）規(guī)定要求的阻帶頻率和阻帶衰減；（滿足某一特定頻率fstop有需要Hstop的衰減）； 2）對電網(wǎng)頻率低衰減（滿足規(guī)定的通帶頻率和通帶低衰減）； 3）低成本。 1.1 常用低通濾波器模型 EMI濾波器通常置于開關(guān)電源與電網(wǎng)相連的前端,是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波器。如圖1所示，噪聲源等效阻抗為Zsource、電網(wǎng)等效阻抗為Zsink。濾波器指標(biāo)（fstop和Hstop）可以由一階、二階或三階低通濾波器實(shí)現(xiàn)，濾波器傳遞函數(shù)的計(jì)算通常在高頻下近似，也就是說對于n階濾波器，忽略所有k相關(guān)項(xiàng)（當(dāng)kn），只取含n相關(guān)項(xiàng)。表1列出了幾種常見的濾波器拓?fù)浼捌鋫鬟f函數(shù)。特別要注意的是要考慮輸入、輸出阻抗不匹配給濾波特性帶來的影響。 圖1 濾波器設(shè)計(jì)等效電路 表1 幾種濾波器模型及傳遞函數(shù) 1.2 EMI濾波器等效電路 傳導(dǎo)型EMI噪聲包含共模（CM）噪聲和差模(DM)噪聲兩種。共模噪聲存在于所有交流相線(L、N)和共模地(E)之間，其產(chǎn)生來源被認(rèn)為是兩電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場耦合等；差模噪聲存在于交流相線(L、N)之間，產(chǎn)生來源是脈動(dòng)電流，開關(guān)器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)特性。這兩種模式的傳導(dǎo)噪聲來源不同，傳導(dǎo)途徑也不同，因而共模濾波器和差模濾波器應(yīng)當(dāng)分別設(shè)計(jì)。 顯然，針對兩種不同模式的傳導(dǎo)噪聲，將其分離并分別測量出實(shí)際水平是十分必要的，這將有利于確定那種模式的噪聲占主要部分，并相應(yīng)地體現(xiàn)在對應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。在文獻(xiàn)6和7中，提供了兩種用于區(qū)分共模和差模噪聲的噪聲分離器，他們能有選擇地對共?；虿钅Ｔ肼曋辽偎p50dB，因而可有效地測量出共模和差模成分。分離器的原理和使用超出了本文的討論范圍，詳細(xì)內(nèi)容可見參考文獻(xiàn)6和7。 以一種常用的濾波器拓?fù)鋱D2(a)為例，分別對共模、差模噪聲濾波器等效電路進(jìn)行分析。圖2(b)及圖2(c)分別代表濾波器共模衰減和差模衰減等效電路。分析電路可知，Cx1和Cx2只用于抑制差模噪聲，理想的共模扼流電感LC只用于抑制共模噪聲。但是，由于實(shí)際的LC繞制的不對稱，在兩組LC之間存在有漏感Lg也可用于抑制差模噪聲。Cy即可抑制共模干擾、又可抑制差模噪聲，只是由于差模抑制電容Cx2遠(yuǎn)大于Cy，Cy對差模抑制可忽略不計(jì)。同樣，LD既可抑制共模干擾、又可抑制差模干擾，但LD遠(yuǎn)小于LC，因而對共模噪聲抑制作用也相對很小。 （a）常用的濾波器拓?fù)?（b）共模衰減等效電路 （c）差模衰減等效電路 圖2 一種常用的濾波器拓?fù)?由表1和圖2可以推出，對于共模等效電路，濾波器模型為一個(gè)二階LC型低通濾波器，將等效共模電感記為LCM，等效共模電容記為CCM，則有 LCM=LCLD（1） CCM=2Cy（2） 對于差模等效電路，濾波器模型為一個(gè)三階CLC型低通濾波器,將等效差模電感記為LDM，等效差模電容記為CDM（令Cx1=Cx2且認(rèn)為Cy/2LD）（6） CLC型濾波器截止頻率計(jì)算公式為 fR,DM=（7） 將式（3）及式（4）代入式（7），則有 fR,DM=（8） 在噪聲源阻抗和電網(wǎng)阻抗均確定，且相互匹配的情況下，EMI濾波器對共模和差模噪聲的抑制作用，如圖3所示。 圖3 濾波器差模與共模衰減 2 設(shè)計(jì)EMI濾波器的實(shí)際方法 2.1 設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)考慮 EMI濾波器的效果不但依賴于其自身，還與噪聲源阻抗及電網(wǎng)阻抗有關(guān)。電網(wǎng)阻抗Zsink通常利用靜態(tài)阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(LISN)來校正，接在濾波器與電網(wǎng)之間，包括電感、電容和一個(gè)50電阻，從而保證電網(wǎng)阻抗可由已知標(biāo)準(zhǔn)求出。而EMI源阻抗則取決于不同的變換器拓?fù)湫问健?以典型的反激式開關(guān)電源為例，如圖4（a）所示，其全橋整流電路電流為斷續(xù)狀態(tài)，電流電壓波形如圖5所示。對于共模噪聲，圖4(b)所示Zsource可以看作一個(gè)電流源IS和一個(gè)高阻抗ZP并聯(lián)；圖4(c)中對于差模噪聲，取決于整流橋二極管通斷情況，Zsource有兩種狀態(tài)：當(dāng)其中任意兩只二極管導(dǎo)通時(shí)，Zsource等效為一個(gè)電壓源VS與一個(gè)低值阻抗ZS串連；當(dāng)二極管全部截止時(shí)，等效為一個(gè)電流源IS和一個(gè)高阻抗ZP并聯(lián)。因而噪聲源差模等效阻抗Zsource以2倍工頻頻率在上述兩種狀態(tài)切換2。 （a）典型反激式開關(guān)電源 （b）共模噪聲源等效電路（c）差模噪聲源等效電路 圖4 典型反激式開關(guān)電源及其噪聲源等效電路 圖5 電源輸入端電壓、電流波形 在前述設(shè)計(jì)過程中，EMI濾波器元件（電感、電容）均被看作是理想的。然而由于實(shí)際元件存在寄生參數(shù)，比如電容的寄生電感，電感間的寄生電容，以及PCB板布線存在的寄生參數(shù)，實(shí)際的高頻特性往往與理想元件仿真有較大的差異。這涉及到EMC高頻建模等諸多問題，模型的參數(shù)往往較難確定，所以，本文僅考慮EMI濾波器的低頻抑制特性，而高頻建?？蓞⒖次墨I(xiàn)8等。故ZS及ZP取值與這些寄生電容、電感以及整流橋等效電容等寄生參數(shù)有關(guān)，直接采用根據(jù)電路拓?fù)浼皡?shù)建模的方案求解源阻抗難以實(shí)現(xiàn)，因而，在設(shè)計(jì)中往往采用實(shí)際測量Zsource。 2.2 實(shí)際設(shè)計(jì)步驟 EMI濾波器設(shè)計(jì)往往要求在實(shí)現(xiàn)抑制噪聲的同時(shí)，自身體積要盡可能小，成本要盡可能低廉。同時(shí)，濾波效果也取決于實(shí)際的噪聲水平的高低，分析共模和差模噪聲的干擾權(quán)重，為此，在設(shè)計(jì)前要求確定以下參量，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。 1）測量干擾源等效阻抗Zsource和電網(wǎng)等效阻抗。實(shí)際過程中往往是依靠理論和經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)，先作出電源的PCB板，這是因?yàn)楣材?、差模的噪聲源和干擾途徑互不相同，電路板走線的微小差異都可能導(dǎo)致很大EME變化。 2）測量出未加濾波器前的干擾噪聲頻譜，并利用噪聲分離器將共模噪聲VMEASUREE,CM和差模噪聲Vmeasure,CM分離，做出相應(yīng)的干擾頻譜。 接著就可以進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)了，仍以本文中提出的濾波器模型為例，步驟如下。 （1）依照式（9）計(jì)算濾波器所需要的共模、差模衰減，并做出曲線Vmeasure，CMf和Vmeasure，DMf，其中Vmeasure，CM和Vmeasure，DM已經(jīng)測得，Vstandard，CM和Vstandard，DM可參照傳導(dǎo)EMI干擾國標(biāo)設(shè)定。加上3dB的原因在于用噪音分離器的測量值比實(shí)際值要大3dB。 (Vreq,CM)dB=(Vmeasure,CM)(Vstandard,CM)3dB (Vreq,DM)dB=(Vmeasure,DM)(Vstandard,DM)3dB（9） （2）由圖3可知，斜率分別為40dB/dec和60dB/dec的兩條斜線與頻率軸的交點(diǎn)即為fR,CM和fR，DM。作Vmeasure，CMf和Vmeasure，DMf的切線，切線斜率分別為40dB/dec和60dB/dec，比較可知，只要測量他們與頻率軸的交點(diǎn)，即可得出fR,CM和fR，DM，圖6所示為其示意圖。 （a）實(shí)線為共模目標(biāo)衰減；虛線為斜率為40dB/dec切線 （b）實(shí)線為差模目標(biāo)衰減；虛線為斜率為60dB/dec切線 圖6 fR,DM與fR,CM的確定 （3）濾波器元件參數(shù)設(shè)計(jì) 共模參數(shù)的選取 Cy接在相線和大地之間，該電容器容量過大將會造成漏電流過大，安全性降低。對漏電流要求越小越好，安全標(biāo)準(zhǔn)通常為幾百A到幾mA。 EMI對地漏電流Iy計(jì)算公式為 Iy=2fCVc（10） 式中：f為電網(wǎng)頻率。 在本例中，Vc是電容Cy上的壓降，f=50Hz，C=2Cy，Vc=220/2=110V，則 Cy=（11） 若設(shè)定對地漏電流為0.15mA，可求得Cy2200pF。將Cy代入步驟（2）中求得fR,CM值，再將fR,CM代入式（6）中可得 Lc=（12） 差模參數(shù)選取 由式（8）可知，Cx1，Cx2，以及LD的選取沒有唯一解，允許設(shè)計(jì)者有一定的自由度。 由圖2可知，共模電感Lc的漏感Lg也可抑制差模噪聲，有時(shí)為了簡化濾波器，也可以省去LD。經(jīng)驗(yàn)表明，漏感Lg量值多為Lc量值的0.52。Lg可實(shí)測獲得。此時(shí)，相應(yīng)地Cx1、Ccx2值要更大。 EMI濾波器設(shè)計(jì)專題（華南理工大學(xué)電力學(xué)院 Andrew Zhang）1、 EMI濾波器基本概念電源線是干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)備產(chǎn)生的干擾也可能通過電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設(shè)備的正常工作。因此，必須在設(shè)備的電源進(jìn)線處加入EMI濾波器，這種濾波器是低通濾波器，它只允許設(shè)備正常工作頻率信號進(jìn)入設(shè)備（一般來說就是工頻50Hz，60Hz或者中頻400Hz），而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。由此我們知道EMI的作用主要有兩個(gè)：a抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對設(shè)備的影響；b抑制設(shè)備（本文主要指高頻開關(guān)電源）對交流電網(wǎng)的干擾。2、干擾的分類一般我們常把干擾分為共模干擾和差模干擾兩大類。所謂共模干擾就是任何載流導(dǎo)體與參考地之間不希望有的電位差；而差模干擾則是任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間不希望有的電位差。這兩種干擾的來源可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：2.1共模干擾的來源：架空導(dǎo)線載傳輸?shù)倪^程中會受到周圍空間電磁環(huán)境的輻射，火線、中線和安全地上所感應(yīng)的信號的幅值和相位幾乎是相等的，由于安全地線要和大地相連接，所以就形成了火線、中線和安全地之間的共模干擾。2.2差模干擾的來源：共用一條輸電線的不同設(shè)備，當(dāng)其中的某一設(shè)備進(jìn)行切換操作時(shí)，火線和中線之間會形成幅值大致相等而相位相反的信號，這種信號就是差模干擾。簡單地說，共模干擾就是兩個(gè)都是進(jìn)去，而差模干擾則是一進(jìn)一出。3、EMI濾波器設(shè)計(jì)3.1 EMI濾波器的典型結(jié)構(gòu)EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號順利通過，而對高頻干擾有抑制作用。怎樣才能抑制這些高頻干擾信號呢？無非就是要在信號進(jìn)入設(shè)備之前把它遏制，也就是說，在輸入電路部分對高頻干擾形成所謂的阻抗失配。在開關(guān)電源中常用的EMI濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 EMI濾波器的典型結(jié)構(gòu)圖中的L就是共模電感，它是在同一個(gè)磁環(huán)上繞制兩個(gè)繞向相反，匝數(shù)相同的線圈所形成的，如圖2所示。它只對共模干擾有抑制作用，對差模干擾卻沒有抑制作用，這是為什么呢？我們可以從物理的角度來解釋：圖2 共模電感（環(huán)形電感比較難畫，這是截來的圖片，電流和磁通都沒有畫上去，見諒?。┊?dāng)電網(wǎng)輸入共模干擾時(shí)，這兩種方向相同的縱向噪聲電流如圖2中的，由右手螺旋定則可知，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通（實(shí)線所示）順向串連磁通相加，電感呈現(xiàn)出高阻抗，阻止共模干擾進(jìn)入開關(guān)電源。同時(shí)也阻止了開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾向電網(wǎng)擴(kuò)散，以免污染交流電網(wǎng)。而差模干擾電流和在L1和L2中所產(chǎn)生的磁通如圖中和（虛線所示），它們反向串連，磁通相互抵消，感抗為零。差模干擾和工頻交流電在形式上是一樣的，所以共模電感對差模干擾和工頻交流有用信號都沒有影響。3.2 EMI濾波器的性能指標(biāo)任何一種產(chǎn)品都有它特定的性能指標(biāo)，或者是客戶所期望的，或者是某些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的。我們設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技術(shù)目標(biāo)就是滿足這些指標(biāo)就可以了。所謂的“看菜吃飯，量體裁衣”。EMI濾波器最重要的技術(shù)指標(biāo)是對干擾的抑制能力，常常用所謂的插入損耗（Insertion Loss）來表示，它的定義是：沒有接入濾波器時(shí)從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用分貝（dB）表示。圖3 EMI等效原理圖 其中 （1）所以： （2）由圖3（a）可知 （3）圖3（b）是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸方程為 （4）又因?yàn)橛?（5）由（2）（5）式可知 （6）所以 （7）由（7）式可以看出，EMI濾波器的插入損耗與濾波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量以及源端和負(fù)載端的阻抗有關(guān)。為避免濾除有用信號, 插損指標(biāo)須謹(jǐn)慎提出。不論是軍用還是民用EMC 標(biāo)準(zhǔn), 對設(shè)備或分系統(tǒng)的電源線傳導(dǎo)干擾電平都有明確的規(guī)定, 預(yù)估或測試獲得的EMI傳導(dǎo)干擾電平和標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)干擾電平之間的差值即所需的EMI 濾波器的最小插損。然而, 對不同的單臺設(shè)備都進(jìn)行EMC 測試, 而后分析其傳導(dǎo)干擾特性, 設(shè)計(jì)合乎要求的濾波器, 這在實(shí)際工程中顯然是不可能的。事實(shí)上, 國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電源濾波器插入損耗的測試方法。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,一般軍用電源濾波器應(yīng)滿足10kHz 30MHz 范圍內(nèi)插入損耗30 60dB。工程設(shè)計(jì)人員只需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波器。3.3 EMI濾波器設(shè)計(jì)原理在圖3（b）中我們把濾波器等效成為一個(gè)而端口網(wǎng)絡(luò)，它的輸入阻抗為，輸出阻抗為，由信號傳輸理論可知，如果輸入端和輸出端的阻抗不相等（這就是前面所提及的阻抗失配），高頻信號就會在輸入端產(chǎn)生反射，定義其反射系數(shù)為： （8） 顯然，和相差越大便越大，信號反射越大，高頻的干擾信號就越難通過。根據(jù)圖3（b）所示的二端口網(wǎng)絡(luò)模型的阻抗表達(dá)方式 （9） 得到 （10） 這樣，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù),就可以在一定的范圍內(nèi)使得阻抗失配。 總的來說，濾波器的設(shè)計(jì)要遵循以下的原則：源內(nèi)阻是高阻抗的，則濾波器的輸入阻抗就應(yīng)該是低阻抗的，反之也同樣成立。4、 EMI濾波器的元件選擇4.1濾波電容的選擇與一般的濾波器不同，圖1所示的EMI濾波器典型結(jié)構(gòu)中電容使用了兩種下標(biāo)，和，接于相線和中線之間，稱為差模電容，接于相線或中線與地之間，稱為共模電容，下標(biāo)X和Y不僅表明了它在濾波電路中的作用，還表明了它在濾波電路中的安全等級。在設(shè)計(jì)或選用濾波器時(shí)都必須充分考慮這兩類電容的安全性能，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到濾波網(wǎng)絡(luò)的安全性能。4.1.1差模電容器的選擇指的是應(yīng)用于這樣的場合：當(dāng)電容失效后，不會導(dǎo)致電擊穿現(xiàn)象，不會危及人生安全。除了要承受電源相線與中線的電壓之外，還要承受相線與中線之間各種干擾源的峰值電壓。根據(jù)差模電容應(yīng)用的最壞情況和電源斷開的條件，電容器的安全等級又分為和兩個(gè)等級具體規(guī)定見表1。所以設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合來選擇不同安全等級的電容器。表1 差模電容的分類CX電容等級用于設(shè)備的峰值電壓VP應(yīng)用場合在電強(qiáng)度試驗(yàn)期間所加的峰值電壓VPCX1VP1.2kV出現(xiàn)瞬態(tài)浪涌峰值對C0.33uF, VP=kVCX2VP1.2kV一般場合1.4kV若的安全性能（即耐壓性能）欠佳，在上述的峰值電壓出現(xiàn)時(shí)，它有可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人生安全，但會使得濾波器的功能下降或喪失。通常EMI濾波器的差模電容必須經(jīng)過15001700V直流電壓1分鐘耐壓測試。4.1.2共模電容及其漏電流控制用于電子設(shè)備電源的EMI濾波器共模濾波性能常常受到共模電容的制約。電容即跨接在相線或中線與安全地之間的電容。接地的電流主要就是指流過共模電容的電流，由于流過電容的電流由電源電壓，電源頻率和電容值共同決定，所以漏電流可以由下式估算： （11）其中為 電源電壓，為電源頻率。 由于漏電流的大小對于人生安全至關(guān)重要，不同國家對不同電子設(shè)備接地漏電流都做了嚴(yán)格的規(guī)定。若對最大漏電流做出了規(guī)定，則可由（11）式可以求出最大允許接地電容值（即電容的值）： （12）如GJB151A-97中規(guī)定，每根導(dǎo)線的線與地之間的電容值，對于50Hz的設(shè)備，應(yīng)小于對于400Hz的設(shè)備，應(yīng)小于；對于負(fù)載小于0.5kW的設(shè)備，濾波電容量不應(yīng)超過。標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定除了要滿足（12）式外，還要求電容在電氣和機(jī)械安全方面有足夠的余量，避免在極端惡劣的條件下出現(xiàn)擊穿短路的現(xiàn)象。因?yàn)檫@種電容要跟安全地