開關(guān)電源濾波器原理與設(shè)計研究

1、張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（開關(guān)電源EMI 濾波器原理與設(shè)計研究魏應(yīng)冬，吳燮華(浙江大學(xué)電氣，浙江杭州310027）摘要：在開關(guān)電源中，EMI 濾波器對共模和差模傳導(dǎo)噪聲的抑制起著顯著的作用。在研究濾波器原理的基礎(chǔ)上，探討了一種對共模、差模信號進(jìn)行了一種 EMI 濾波器的設(shè)計程序。分析，分別建模的方法，最后基于此提出：開關(guān)電源；EMI 濾波器；共模；差模0引言高頻開關(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、家電等各個領(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

2、大降低輸入功率因數(shù)外，還增加了大量高次諧波。同時，開關(guān)電源率開關(guān)管的高速開關(guān)動作（從幾十 kHz 到數(shù) MHz），形成了 EMI（electromagneticinterference）騷擾源。從已的開關(guān)電源可知，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)計通常是通過反復(fù)迭代，計算制作以求逐步逼近

3、設(shè)計要求。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)計濾波器的方法，并分步驟給出設(shè)計實(shí)例。1EMI 濾波器設(shè)計原理在開關(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，正如很多國際和標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，頻率范圍在 0.1530MHz。設(shè)計 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?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)，通常情況下只要考慮將頻率高于 150

4、kHz 的 EME 衰減至合理范圍內(nèi)即可。張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（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 Zsi

5、nk。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) k<n），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)計等效電路表 1幾種濾波器模型及傳遞函數(shù)張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（1.2EMI 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，

6、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。顯然，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p 50dB，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，

7、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D 2(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。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。

8、張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（a）常用的濾波器拓?fù)洌╞）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?1 和圖 2 可以推出，對于共模等效電路，濾波器模型為一個二階 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=LC LD（1）CCM=2Cy（2）對于差模等效電路，濾波器模型為一個三階 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/2<<Cx2），則有LDM=2LDLg（3）張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%

9、拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（CDM=Cx1=Cx2（4）LC 型濾波器截止頻率計算公式為fR,CM=（5）將式（1）及式（2）代入式（5），則有fR,CM=（LC>> LD）（6）CLC型濾波器截止頻率計算公式為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 EMI 濾波器的實(shí)際方法2.1設(shè)計中的幾點(diǎn)考慮張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（E

10、MI 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 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?。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 可以看作一個電流源 IS 和一個高阻抗 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，Zsourc

11、e 等效為一個電壓源 VS 與一個低值阻抗 ZS 串連；當(dāng)二極管全部截止時， 等效為一個電流源 IS 和一個高阻抗 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張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（圖 5電源輸入端電壓、電流波形在前述設(shè)計過程中，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

12、寄生參數(shù)，實(shí)際的高頻特性往往與理想元件有較大的差異。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)計中往往采用實(shí)際測量 Zsource。2.2實(shí)際設(shè)計步驟EMI 濾波器設(shè)計往往要求在實(shí)現(xiàn)抑制噪聲的同時，自身體積要盡可能小，成本要盡可能低廉。同時，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)計前要求確定以下參量，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化

13、。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小差異都可能導(dǎo)致很大 EME 變化。路板走線的微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 Vmeasu

14、re，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

15、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。張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（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 6fR,DM 與 fR,CM 的確定（3）濾波器元件參數(shù)設(shè)計共模參數(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 計算公式為Iy=2fCVc（10）式中：f為電網(wǎng)頻率。在本例

16、中，Vc 是電容 Cy 上的壓降，f=50Hz，C=2Cy，Vc=220/2=110V，則Cy=（11）張飛實(shí)戰(zhàn)電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運(yùn)營的點(diǎn)擊打開，有問必答）（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)選取計者有一定的自由度。由式（8）可知，Cx1，Cx2，以及 LD 的選取沒有唯一解，設(shè)由圖 2 可知，共模電感 Lc 的漏感 Lg 也可抑制差模噪聲，有時為了簡化濾波器，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，相應(yīng)地 Cx1、Ccx2 值要更大。3結(jié)語本文的論述是基于低通濾波器的低頻模型分析。由于實(shí)際元件寄生參數(shù)的影響，尤其在高頻段更加顯著，因而往往