電源濾波器的設(shè)計(jì)探討

1、電源濾波器的設(shè)計(jì)探討由 創(chuàng)新網(wǎng)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(dǎo)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(guān)電源產(chǎn)生EMI 的原理及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。討論了電源EMI 濾波器的設(shè)計(jì)和器件選取原則， 并提出有關(guān)安裝電源EMI 濾波器時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)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(shè)備有效性能的電磁能量。它分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)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(shè)備；3） 耦合路徑

2、或稱為耦合通道。共模干擾是指電源線對(duì)大地或中線對(duì)大地之間的電位差。對(duì)于三相電路來(lái)說(shuō)， 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(dòng)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(duì)于三相電路來(lái)說(shuō)， 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(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， 所以在設(shè)計(jì)EMI 電源濾波器上， 就是對(duì)開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。一般性能

3、的電源濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示：電源濾波器一般用來(lái)抑制30 MHz 以下頻率范圍的噪音， 但對(duì)30 MHz 以上的輻射發(fā)射干擾也有一定的抑制作用。根據(jù)開關(guān)電源共模、差模干擾的特點(diǎn)， 可以按干擾的分布大概劃分為3 個(gè)：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(jiǎn)單的列線圖， 如圖2 所示。EMI 電源濾波器對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力用插入損耗來(lái)衡量， 插入損耗是濾波器最重要的技術(shù)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(méi)有濾波器接入時(shí)， 從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后， 噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比

4、， 用dB （分貝） 表示。通常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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)推出插入損耗的基本計(jì)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(shí)產(chǎn)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(lái)說(shuō)， 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(shí)， 共模電容必須小于0.01 F， 如

5、2 2004 700 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(gè)數(shù)量級(jí)。共模電容和差模電容有幾個(gè)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0.68 F。2 EMI 的測(cè)量由于差模干擾和共模干擾產(chǎn)生的機(jī)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(shè)計(jì)也就不同。在干擾測(cè)量中如何分辨差模及共模干擾就成為電源EMI 濾波器設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。常用的干擾信號(hào)分離方法有： 電流探棒（Current probe） 、差模拒斥網(wǎng)絡(luò)（Differential-Mo

6、de Rejection Network， DMRN） 以及干擾分離器（Noise Separator） 等。3 EMI 濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行EMI 電源濾波器電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(hào)反射。對(duì)于電源EMI 濾波器與源或負(fù)載的接口端， 如果源內(nèi)阻和負(fù)載是阻性或感性的， 與之連接的濾波器接口就應(yīng)該是容性的； 如果源內(nèi)阻和負(fù)載是容性的， 與之連接的濾波器接口就應(yīng)該是感性的。3.1 方法一：a） 利用噪聲分離的方法， 分別測(cè)量在未接濾波器時(shí)的共模干擾VCM （ dB） 和差模干擾VDM（dB）， 根據(jù)設(shè)備自身所需求的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)定濾波

7、器所需要達(dá)到的衰減量。由共模、差模干擾的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值， 加上適當(dāng)?shù)脑Ａ靠傻玫綖V波器的插入損耗。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)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(dǎo)干擾的測(cè)試過(guò)程中， 測(cè)試結(jié)果比實(shí)際值大3 dB；M （dB） 設(shè)計(jì)裕量， 即 6 dB；Vlimit （ dB） 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) （如 CISPR、 FCC、VDE） 規(guī)定的傳導(dǎo)干擾限值。因此， 根據(jù)（11） 式的計(jì)算便可做出插入損耗與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。b） 計(jì)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(fù)載阻抗都等于50 ， 但在實(shí)際工作中， 阻抗大多處于不匹配狀態(tài)。

8、在計(jì)算電路參數(shù)時(shí)， 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(jì)算， 需要源阻抗和負(fù)載阻抗為一個(gè)固定值， 因此， 可以先不考慮源阻抗和負(fù)載阻抗是否匹配的問(wèn)題。采用測(cè)量濾波器插入損耗時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)源、負(fù)載阻抗值： Rs=50 ， R1=50 。根據(jù)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(jì)算值大致相同。EMI 電源濾波器的設(shè)計(jì)如同其它類型的電路設(shè)計(jì)一樣， 它也面臨著因高頻情況所衍生的電感、電容問(wèn)題。在確定電路結(jié)構(gòu)后， 重新進(jìn)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(wèn)題。在這里將引入濾

9、波器設(shè)計(jì)阻抗Rd， 截止頻率f0、Rd是最低輸入電壓除去最高輸入電流，截止頻率f0則與EMC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)頻段下的插入損耗值以及濾波器電路的形式有關(guān)。步驟如下：需要注意的是， 按照上面方法計(jì)算出來(lái)的截止頻率可能并不能滿足實(shí)際的需要， 為了不影響整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定或者改變電網(wǎng)電壓的波形， 要求截止頻率大于15 倍的電網(wǎng)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(jì)算方法如下：上式計(jì)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(shí)際使用的數(shù)值， 差模等效電路中的參數(shù)可以參考經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題， 外部濾波器和電源板的接地都是連接在機(jī)箱的外殼上，連接線和機(jī)箱體之間形成一個(gè)很大的地環(huán)路。如果機(jī)箱在搭接的時(shí)候處理不好或者焊接不緊密， 就會(huì)在兩個(gè)濾波器的接地點(diǎn)之間形成一個(gè)等效的串聯(lián)阻抗， 導(dǎo)致兩個(gè)接地點(diǎn)間的電位不相同， 在地線上產(chǎn)生電流， 形成共模干擾信號(hào)。c） EMI 電源濾波器印刷電路板的設(shè)計(jì)非常重要， 為了保證濾波器能夠有效地抑制干擾噪聲信號(hào)， 對(duì)功率線和地線的走線方式和布局問(wèn)題