EMI濾波器設(shè)計(jì)原理

1、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(guó)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(chǎng)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 （electromagneticinteferenee）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(chǎng) 輻射干擾，傳導(dǎo)干擾還會(huì)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

2、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(duì)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(guò)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(guò)對(duì)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(hào)，其頻率范

3、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(cè)量，正如很多國(guó)際和國(guó)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(duì)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(hào)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(jiǎn)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(duì)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

4、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 阻抗為乙伙。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(shuō)對(duì)于n階濾波器，忽略所有co k相關(guān)項(xiàng)（當(dāng)kvn）,只取含co 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(lái) 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)tilthI、/*- riiiiWuafTiEti)-1.(.l V，”.r1.2EMI濾

5、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(lái)源被認(rèn)為是兩電氣回路之 間絕緣泄漏電流以及電磁場(chǎng)耦合等； 差模噪聲存在于交流相線（L、N）之間，產(chǎn)生 來(lái)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(lái)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(duì)兩種不同模式的傳導(dǎo)噪聲，將其分離并分別測(cè)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(duì)應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)過(guò)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

6、模噪聲的噪聲分離器，他們能有選擇地對(duì)共?；虿钅Ｔ肼曋辽偎p分離器的原理和使用超出了本文的50dB,因而可有效地測(cè)量出共模和差模成分。 討論范圍，詳細(xì)內(nèi)容可見參考文獻(xiàn)和7以一種常用的濾波器拓?fù)鋱D2(a)丨為例，分別對(duì)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，Ci和C2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(duì)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(duì)差模抑制可忽略不計(jì)。

7、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(duì)共模噪聲抑制作用也 相對(duì)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)溆杀?和圖2可以推出，對(duì)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L(zhǎng)cm等效共模電容記為Cdm則有L ci=Lc+ ? Ld(1)CcM=2Cy (2)對(duì)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L(zhǎng)dm，等效差模電容記為CDm (令CXi=CX2且認(rèn)為G/2VVQ)，則有Ldi=2Ld+ l-g (3)CDm=CXi=CX2 (4)Lc型濾

8、波器截止頻率計(jì)算公式為f R,Ch=UT J；亠：（5）將式（1）及式（2）代入式（5）,則有fR,cm也*時(shí)）石n旋（Lc*Ld）（ 6）CLC型濾波器截止頻率計(jì)算公式為r,dM=將式（3）及式（4）代入式（7），則有R,Dh=(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(duì)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)阻抗乙ink通常利用靜態(tài)阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（LISN）來(lái)校正，接在濾波器與電網(wǎng)之 間，包括電感、電容和一個(gè) 50Q電阻，從

9、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?。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(duì)于共模噪聲，圖4（b）所示乙。urce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(duì)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)，乙。urce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

10、)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金芙虧D1.口n圖5電源輸入端電壓、電流波形在前述設(shè)計(jì)過(guò)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(wèn)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

11、難以實(shí)現(xiàn)，因而，在設(shè)計(jì)中往往采用實(shí)際測(cè)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(cè)量干擾源等效阻抗 乙。urce和電網(wǎng)等效阻抗。實(shí)際過(guò)程中往往是依靠 理論和經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)，先作出電源的PCE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(cè)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, 和差模噪聲V

12、measure,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Vmeasuref和Vm easure, DM -f ，其中 Vmeasure， cM和 Vmeasure, DM 已經(jīng)測(cè)得 ， Vitandard ， CM和廿 VstandardDM可參照傳導(dǎo)EMI干擾國(guó)標(biāo)設(shè)定。加上3dB的原因在于用噪音分離器的測(cè)量值比實(shí)際值 要大3dB。(Veq,CM)dB = ( Vmeasure,cM( Vstandard,CM )+ 3dB (Veq,DM)dB = ( Vmeasur

13、e,Dh) 一 (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 f R,CM和 f R DM。作 Vmeasure, CM為40dB/dec和60dB/dec，比較可知，只要測(cè)量他們與頻率軸的交點(diǎn)，即可得出 f R,CM和f R, DM，圖6所示為其示意圖。/MBs(a)實(shí)線為共模目標(biāo)衰減；虛線為斜率為40dB/dec切線/KH1（b）實(shí)線為差模目標(biāo)衰減；虛線為斜率為 60dB/dec切線圖6f R,DM與f R,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(guò)大將會(huì)造成漏電流過(guò)大，安全性降低。對(duì)漏電流要求越小越好，安全標(biāo)準(zhǔn)通常為幾 百卩A到幾mAEMI對(duì)地漏電流Iy計(jì)算公式為I y=2n fCVc （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=2G, 乂=220/2=110V,則小丄/、G=t（11）