EMI濾波器電路原理及設(shè)計.doc

牛衍方QQ：451362261EMI濾波器電路原理及設(shè)計引言開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備系統(tǒng)中，但是開關(guān)電源易受到電磁干擾，產(chǎn)生誤動作，且本身的高頻信號也會引起大量的噪聲，會污染電網(wǎng)環(huán)境，干擾同一電網(wǎng)其他電子設(shè)備的正常工作。這樣就對EMC提出了更高的要求指標。分類：開關(guān)電源中的電磁干擾（EMI）主要有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通過正確的屏蔽和接地系統(tǒng)設(shè)計可以得到有效的控制，對于傳導(dǎo)干擾來說，加裝EMI濾波器，是一種比較經(jīng)濟有效的措施，輻射干擾的抑制可以通過加裝變壓器屏蔽銅片。EMI濾波器介紹開關(guān)電源與交流電網(wǎng)相連，盡管開關(guān)電源是一個單端口網(wǎng)絡(luò)，但具有相線（L），零線（N），地線（E）的開關(guān)電源實際上形成了兩個AC端口，所以噪聲源在實際分析中可以將其分解為共模和差模噪聲源。火線（L）與零線（N）之間的干擾叫做差模干擾（屬于對稱性干擾），火線（L）與地線（E）之間的干擾叫做共模干擾（非對稱性干擾）。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動、雷擊、外界輻射等。1.開關(guān)電源的EMI干擾源開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動、雷擊、外界輻射等。（1）功率開關(guān)管功率開關(guān)管工作在On-Off快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場耦合的主要干擾源，也是磁場耦合的主要干擾源。（2）高頻變壓器高頻變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場耦合的重要干擾源。（3）整流二極管整流二極管的EMI來源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上，反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點會在電感（引線電感、雜散電感等）產(chǎn)生高 dv/dt，從而導(dǎo)致強電磁干擾。（4）PCB準確的說，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB的優(yōu)劣，直接對應(yīng)著對上 述EMI源抑制的好壞。2.開關(guān)電源EMI傳輸通道分類（一）。 傳導(dǎo)干擾的傳輸通道（1）容性耦合（2）感性耦合（3）電阻耦合a.公共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合b.公共地線阻抗產(chǎn)生的 電阻傳導(dǎo)耦合c.公共線路阻抗產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合（二）。 輻射干擾的傳輸通道（1）在開關(guān) 電源中，能構(gòu)成輻射干擾源的元器件和導(dǎo)線均可以被假設(shè)為天線，從而利用電偶極子和磁偶極子理論進行分析；二極管、電容、功率開關(guān)管可以假設(shè)為電偶極子，電 感線圈可以假設(shè)為磁偶極子；（2）沒有屏蔽體時，電偶極子、磁偶極子，產(chǎn)生的電磁波傳輸通道為空氣（可以假設(shè)為自由空間）；（3）有屏蔽體時，考慮屏蔽體的縫隙和孔洞，按照泄漏場的數(shù)學(xué)模型進行分析處理。3.開關(guān)電源EMI抑制的9大措施在開關(guān)電源中，電壓和電流的突變，即高dv/dt和di/dt，是其EMI產(chǎn)生的主要原因。實現(xiàn)開關(guān)電源的EMC設(shè)計技術(shù)措施主要基于以下兩點：（1）盡量減小電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路，并進行合理布局；（2）通過接地、濾波、屏蔽 等技術(shù)抑制電源的EMI以及提高電源的EMS。分開來講，9大措施分別是：（1）減小dv/dt和di/dt（降 低其峰值、減緩其斜率）（2）壓敏電阻的合理應(yīng)用，以降低浪涌電壓（3）阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制過沖（4）采用軟恢復(fù)特 性的二極管，以降低高頻段EMI（5）有源功率因數(shù)校正，以及其他諧波校正技術(shù)（6）采用合理設(shè)計的電源線濾波器（7）合理的接地處理（8）有效的屏蔽措施（9）合理的PCB設(shè)計4.高頻變壓器漏感的控制高頻變壓器的漏感是功率開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓產(chǎn)生的重要原因之一，因此，控制漏感成為解決高頻變壓器帶來的EMI首要面對的問題。減小高頻變壓器漏感兩個切入點：電氣設(shè)計、工藝設(shè)計?。?）選擇合適磁芯，降低漏感。漏感與原邊匝數(shù)平方成正比，減小匝數(shù)會顯著降低漏感。（漏感就是將所有次級繞組和所有輔助繞組短路，測的得原邊電感值。）（2）減小繞組間的絕緣層?，F(xiàn)在有一種稱之為“黃金薄膜”的絕緣層，厚度20100um，脈沖擊穿電壓可達幾千伏。（3）增加繞組間耦合度，減小漏感。（層疊繞制、混合繞制 這個問題可以詢問變壓器制造商）5.高頻變壓器的屏蔽為防止高頻變壓器的漏磁對周圍電路產(chǎn)生干擾，可采用屏 蔽帶來屏蔽高頻變壓器的漏磁場。屏蔽帶一般由銅箔制作，繞在變壓器外部一周，并進行接地，屏蔽帶相對于漏磁場來說是一個短路環(huán)，從而抑制漏磁場更大范圍的 泄漏。高頻變壓器，磁心之間和繞組之間會發(fā)生相對位移，從而導(dǎo)致高頻變壓器在工作中產(chǎn)生噪聲（嘯叫、振動）。為防止該噪聲，需要對變 壓器采取加固措施：（1）用環(huán)氧樹脂將磁心（例如EE、EI磁心）的三個接觸面進行粘接，抑制相對位移的產(chǎn)生；（2）用“玻璃珠”（Glass beads）膠合劑粘結(jié)磁心，效果更好。EMI濾波器對于干擾噪聲的抑制能力用插入損耗IL(Insertion Loss)來衡量。定義：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比，用dB（分貝）表示。IL=dBP1P2=10lgP1P2P1=V12RLIL=10lgv12v22=20lgv1v2 常見的EMI電路結(jié)構(gòu) 圖 1電容、電感的選取原則一般的EMI濾波器中有兩組電容，即跨接在電源線之間起差模抑制作用的X電容和接在電源線和地之間起共模抑制作用的Y電容。對于X電容其額定電壓應(yīng)和電網(wǎng)電壓相當，其容量可以選的大一些，典型值0.05uF1uF。對于Y電容取值允許的情況下越大越好，但如果Y電容時效會導(dǎo)致人員電擊，所以對其最大漏電電流Ig有限制，Ig的大小由產(chǎn)品規(guī)定，一般為0.58mA。Y電容的最大容量可用公式計算CY=IgUm2fm106(Nf)Um 電網(wǎng)電壓 VFm 電網(wǎng)頻率 HzIg 漏電電流 Ma另外，為了獲得較好的高頻特性、降低高頻等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感，X電容和Y電容通常都是通過幾個較小的電容并聯(lián)來滿足其容量要求。對于濾波器中的共?；虿钅６罅魅σ话闱闆r下要自己動手設(shè)計。電感的取值和材料的選取原則：1、磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證最高頻率在1GHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。2、磁導(dǎo)率高，但實際中很難滿足這一要求，所以。磁導(dǎo)率往往分段考慮。磁芯材料一般為鐵氧體。共模的在1.5Mh5mH,差模的在1050uH。設(shè)計實例一電源系統(tǒng)頻率在50kHz，要求寬電壓輸入85V265V，其在