電源濾波器的設計探討講解

1、電源濾波器的設計探討由 創(chuàng)新網小編于 星期一 , 2014-11-24 15:57發(fā)表摘要：電源 EMI濾波器是一種抑制傳導發(fā)射和輻射發(fā)射非常有效的方法。分析了電源線上的干擾類型，開關電源產生EMI的原理及其拓撲結構。討論了電源EMI濾波器的設計和器件選取原則，并提出有關安裝電源EMI濾波器時應注意的幾個問題。1 引言電磁干擾 （EMI ） 是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。它分為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾又可分為共模干擾和差模干擾。輻射干擾也可分為共模干擾和差模干擾。造成EMI的 3 種因素是：1 ） 電磁干擾源；2 ） 被干擾的敏感設備；3 ） 耦合路徑或稱

2、為耦合通道。共模干擾是指電源線對大地或中線對大地之間的電位差。對于三相電路來說，共模干擾存在于任何一相與大地之間。共模電流是在相線（或中線） 和地線之間流動的、相位相同的電流，共模電流一般利用外部接地系統(tǒng)、電纜、金屬制品等作為電流的返回路徑。差模干擾是指存在于電源相線與中線之間，對于三相電路來說，差模干擾還存在于相線與相線之間。差模電流是往返于相線和中線之間且相位相反的電流。2 EMI濾波器的插入損耗在開關電源中 ， 主要的 EMI騷擾源是功率半導體器件開關動作產生的dv/dt和 di/dt ， 所以在設計EMI電源濾波器上，就是對開關頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。一般性能的電源濾波器

3、的結構如圖1 所示：電源濾波器一般用來抑制30 MHz以下頻率范圍的噪音，但對 30 MHz以上的輻射發(fā)射干擾也有一定的抑制作用。根據開關電源共模、差模干擾的特點，可以按干擾的分布大概劃分為 3 個：0.150.5 MHz差模干擾為主；0.55 MHz差模、共模干擾共存；530 MHz共模干擾為主；其簡單的列線圖，如圖 2 所示。EMI電源濾波器對干擾信號的抑制能力用插入損耗來衡量， 插入損耗是濾波器最重要的技術參數(shù)之一。它是頻率的函數(shù)。EMI電源濾波器插入損耗的定義為，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。通常

4、把插入損耗隨頻率變化的曲線稱為濾波器的頻率特性。濾波器的插入損耗越大，濾波效果越好。濾波器接入前后的電路如圖3 和圖 4 所示。以一般電源濾波器為例，利用二端口網絡結構來推出插入損耗的基本計算公式。將電路分解為共模等效電路和差摸等效電路，如圖 3、 4 所示。其中 LCM 是等效共模電感；LDM 是等效差模電感。Le 是在繞制共模扼流圈時產生的不平衡漏電感。由圖 3 與式（ 3 ） 得出共模等效電路的A 參數(shù)矩陣：由圖 4 與式（ 3 ） 得出差模等效電路的A 參數(shù)矩陣：一般來說， 在允許的條件下，濾波電容的容量越大越好。在用于交流濾波器時，共模電容必須小于 0.01F， 如 2 2004 7

5、00 PF， 差模電容要求取值在 15 F 之間。而在直流濾波器中， 電容器耐壓較低，其使用的容量大小比交流濾波器中使用的電容大一個數(shù)量級。共模電容和差模電容有幾個常用的數(shù)值，共模電容通常為334 ， 224 和 333 ； 差模電容通常為 105和 0.68F。2 EMI 的測量由于差模干擾和共模干擾產生的機理不同，形成的回路不同，也就必須采用不同的一直方法， 因此， 濾波器的設計也就不同。在干擾測量中如何分辨差模及共模干擾就成為電源EMI 濾波器設計的首要問題。 常用的干擾信號分離方法有：電流探棒（Current probe ） 、差模拒斥網絡（ Differential-Mode Rej

6、ection Network， DMRN ） 以及干擾分離器（Noise Separator） 等。3 EMI 濾波器的設計進行 EMI 電源濾波器電路結構的設計時應遵循下列原則：滿足最大阻抗失配，插入損耗盡可能地增大，也就是盡可能地增大信號反射。對于電源EMI濾波器與源或負載的接口端， 如果源內阻和負載是阻性或感性的，與之連接的濾波器接口就應該是容性的；如果源內阻和負載是容性的，與之連接的濾波器接口就應該是感性的。3.1方法一：a） 利用噪聲分離的方法，分別測量在未接濾波器時的共模干擾VCM（ dB ） 和差模干擾 VDM （ dB ）， 根據設備自身所需求的標準來設定濾波器所需要達到的衰減

7、量。由共模、差模干擾的測量結果與標準限值，加上適當?shù)脑Ａ靠傻玫綖V波器的插入損耗。在實際設計時還需要加上6 dB的安全余量。式 （ 10 ） 中：3 dB 在分離共模、差模傳導干擾的測試過程中，測試結果比實際值大 3 dB ；M（ dB ） 設計裕量，即 6 dB ；Vlimit（ dB ） 相關標準（如CISPR、 FCC、 VDE ） 規(guī)定的傳導干擾限值。因此，根據（ 11 ） 式的計算便可做出插入損耗與頻率的對應關系。b ） 計算元件參數(shù)。 EMI電源濾波器通常希望工作在規(guī)范的輸入阻抗和輸出阻抗中，一般源阻抗和負載阻抗都等于50 ， 但在實際工作中，阻抗大多處于不匹配狀態(tài)。在計算電路參數(shù)時

8、，為了減少變量，利于 EMI電源濾波器共模和差模插入損耗的理論計算，需要源阻抗和負載阻抗為一個固定值，因此， 可以先不考慮源阻抗和負載阻抗是否匹配的問題。采用測量濾波器插入損耗時使用的標準源、負載阻抗值：Rs=50， R1=50。根據所確定的參數(shù)和式（11 ） 得出等效共模電感。等效差模電感的值與共模電感的計算值大致相同。EMI電源濾波器的設計如同其它類型的電路設計一樣，它也面臨著因高頻情況所衍生的電感、電容問題。在確定電路結構后，重新進行共模和差模等效電路的分析是非常必要的。3.2方法二：與方法一相比較，方法二避開了阻抗處于失配狀態(tài)的問題。在這里將引入濾波器設計阻抗Rd ， 截止頻率f0、R

9、d 是最低輸入電壓除去最高輸入電流，截止頻率f0 則與 EMC標準規(guī)定的相應頻段下的插入損耗值以及濾波器電路的形式有關。步驟如下：需要注意的是，按照上面方法計算出來的截止頻率可能并不能滿足實際的需要，為了不影響整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定或者改變電網電壓的波形，要求截止頻率大于15 倍的電網頻率。EMI電源濾波器電路中的共模扼流圈電感L 和共模電容CY 的計算方法如下：上式計算的C 值并不能滿足漏電流的要求，可以用滿足漏電流要求的CY， 它的取值與方法一相同。L 和 CY 為濾波器實際使用的數(shù)值，差模等效電路中的參數(shù)可以參考經驗值或者用方法一取得。4 EMI濾波器的安裝a） 濾波器的輸出線最好采用雙絞線。b ） 必須很好地解決濾波器的接地問題，外部濾波器和電源板的接地都是連接在機箱的外殼上，連接線和機箱體之間形成一個很大的地環(huán)路。 如果機箱在搭接的時候處理不好或者焊接不緊密， 就會在兩個濾波器的接地點之間形成一個等效的串聯(lián)阻抗， 導致兩個接地點間的電位不相同， 在地線上產生電流， 形成共模干擾信號。c）EMI電源濾波器印刷電路板的設計非常重要，為了保證濾波器能夠有效地抑制干擾噪聲信號， 對功率線和地線的走