EMI濾波器應用設計原理

EMI濾波器設計原理高頻開關電源由于其在體積、重量、功率密度、效率等方面的諸多優(yōu)點，已經被廣泛地應用于工業(yè)、國防、家電產品等各個領域。在開關電源應用于交流電網的場合，整流電路往往導致輸入電流的斷續(xù)，這除了大大降低輸入功率因數外，還增加了大量高次諧波。同時，開關電源中功率開關管的高速開關動作（從幾十kHz到數MHz），形成了EMI（electromagneticinterference）騷擾源。從已發(fā)表的開關電源論文可知，在開關電源中主要存在的干擾形式是傳導干擾和近場輻射干擾，傳導干擾還會注入電網，干擾接入電網的其他設備。減少傳導干擾的方法有很多，諸如合理鋪設地線，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濾波器衰減電網與開關電源對彼此的噪聲干擾。EMI騷擾通常難以精確描述，濾波器的設計通常是通過反復迭代，計算制作以求逐步逼近設計要求。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，給出實際工作中設計濾波器的方法，并分步驟給出設計實例。1 EMI濾波器設計原理在開關電源中，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,因而電磁發(fā)射EME（ElectromagneticEmission）通常是寬帶的噪聲信號，其頻率圍從開關工作頻率到幾MHz。所以，傳導型電磁環(huán)境（EME）的測量，正如很多國際和國家標準所規(guī)定，頻率圍在0.15?30MHz。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。基于上述標準，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的EME衰減至合理圍即可。在數字信號處理領域普遍認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f有需要stopH的衰減）；stop2） 對電網頻率低衰減（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電源與電網相連的前端,是由串聯電抗器和并聯電容器組成的低通濾波器。如圖1所示，噪聲源等效阻抗為Z、電網等效阻抗為Z。濾波器指標（f和H）可以由一階、二階或三階低;通濾波器實現，濾波器傳遞函數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3k相關項（當k<n），只取含相關項。表1列出了幾種常見的濾波器拓

撲及其傳遞函數。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 濾波器設計等效電路表1 幾種濾波器模型及傳遞函數拓仆傳邊函戲1 3\1小創(chuàng)1F—片矗丹』i1=^rG酬一階—1“I.S)1*H1、円41 1-1ii<』|“=￡7>r ??R-iil!?WJLt.、￡WilllL2^I 切11”-I*-Af.JF11砒型衢廠■Hi,3、.h=V：1-ri?iir.fi1tw'CZCZ^,,..LCL型二盼11Hi.tit)1r1I;I'Ilfr^Jt11.2 EMI濾波器等效電路傳導型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，其產生來源被認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，產生來源是脈動電流，開關器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復特性。這兩種模式的傳導噪聲來源不同，傳導途徑也不同，因而共模濾波器和差模濾波器應當分別設計。顯然，針對兩種不同模式的傳導噪聲，將其分離并分別測量出實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，并相應地體現在對應的濾波器設計過程中，實現參數優(yōu)化。在文獻［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p50dB,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圍，詳細容可見參考文獻［6］和［7］。

以一種常用的濾波器拓撲〔圖2(a)〕為例，分別對共模、差模噪聲濾波器等效電路進行分析。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，C和C只用于抑制差模噪聲，理想的共模扼流電感L只用于抑制共模噪聲。但是，由于實際的L繞制的不對稱，在兩組L之間存在有漏感L也可用于抑制差模噪聲。C即可抑C制共模干擾、又可抑制差模噪聲，只是由于差模抑制電容C遠大于C,C對差模抑制可忽略不計。同樣，L既可抑制共模干擾、又可抑制差模干擾；但1遠小于L,因而對共模噪聲抑制作用也( — 、 D C相對很小。1DCl500ClE_ri==刊GT差模衰減等效電路一種常用的濾波器拓撲圖2A卜差模衰減等效電路一種常用的濾波器拓撲圖2A卜■j'i■Gi_Gi3(b)共模衰減等效電路(a)常用的濾波器拓撲TLcr嚴 ]25Q=24由表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由表1和圖2可以推出,CM CML二L+豆L(1)CMC DC=2C(2)CMy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L，等效差模電容記為C(令C=C且認為C/2〈〈C)，則有DM DM x1x2 y x2L=2L+L(3)DMDgC=C=C(4)DMx1x2L型濾波器截止頻率計算公式為Cf=(m岳忑贏1(5)R,CM將式(1)及式(2)代入式(5)，則有f= 呂急(L>>￡)(6)TOC\o"1-5"\h\zR,CM CDCLC型濾波器截止頻率計算公式為f二比 (7)R,DM將式(3)及式(4)代入式(7),則有f= (8)R,DM在噪聲源阻抗和電網阻抗均確定，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 設計EMI濾波器的實際方法設計中的幾點考慮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阻抗有關。電網阻抗Z通常利用靜態(tài)阻抗補償網絡(LISN)來校正，接在濾波器與電網之間，包括電感、電容和一個50Q電阻，從而保證電網阻抗可由已知標準求出。而EMI源阻抗則取決于不同的變換器拓撲形式。以典型的反激式開關電源為例，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Z可以看作一個電流源I和一個高阻抗Z并聯；圖4(c)中對于差模噪聲，取決于整流S P

橋二極管通斷情況，Z有兩種狀態(tài)：當其中任意兩只二極管導通時，Z等效為一個電壓源V與一個低值阻抗Z串連；當二極管全部截止時，等效為一個S s電流源I和一個高阻抗Z并聯。因而噪聲源差模等效阻抗Z 以2倍工頻頻率S P source在上述兩種狀態(tài)切換［2］。(a)典型反激式開關電源(a)典型反激式開關電源(b)共模噪聲源等效電路(c)差模噪聲源等效電路

圖4 典型反激式開關電源及其噪聲源等效電路LfJSL.3乂慫 I 去甜觀暑 I J ; 仝菩所 EtL.匸仝菩所 EtL.匸Di.圖5 電源輸入端電壓、電流波形在前述設計過程中，EMI濾波器元件(電感、電容)均被看作是理想的。然而由于實際元件存在寄生參數，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，實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高頻建模等諸多問題，模型的參數往往較難確定，所以，本文僅考慮EMI濾波器的低頻抑制特性，而高頻建模可參看文獻［8］等。故Z及Z取S p值與這些寄生電容、電感以及整流橋等效電容等寄生參數有關，直接采用根據電路拓撲及參數建模的方案求解源阻抗難以實現，因而，在設計中往往采用實際測量Z。source2.2實際設計步驟

2.2實際設計步驟EMI濾波器設計往往要求在實現抑制噪聲的同時，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際的噪聲水平的高低，分析共模和差模噪聲的干擾權重，為此，在設計前要求確定以下參量，以實現設計的優(yōu)化。測量干擾源等效阻抗Z和電網等效阻抗。實際過程中往往是依靠理論和經驗的指導，先作出電源的SPCB板，這是因為共模、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致很大EME變化。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V和差模噪聲V分離，做出相應的干擾頻譜。MEASUREE,CM measure,CM接著就可以進行實際的設計了，仍以本文中提出的濾波器模型為例，步驟如下。依照式(9)計算濾波器所需要的共模、差模衰減，并做出曲線V—f和V—f,其中V和V 已經測得，V 和V可參照傳導eMF干擾國標設定。加上,3dB的障因在于用噪音分離器的測量值翹實際值要大3dB。(V )dB=(V )—(V )+3dBreq,CM measure,CM standard,CM(V )dB=(V)—(V)+3dB(9)req,DM measure,DM standard,DM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即為f和f。作V—f和V —f的切線，切線斜率分別‘ R,CM R，DM‘ ＞、measure，CM ,measure，DM? . 、為40dB/dec和60dB/dec，比較可知，只要測量他們與頻率軸的交點，即可得出f和f，圖6所示為其示意圖。R,CM R，DMf.'TiTHif.'TiTHi(a)實線為共模目標衰減；虛線為斜率為40dB/dec切線0.00-plIHs0.00-plIHs(b)實線為差模目標衰減；虛線為斜率為60dB/dec切線圖6 f與f的確定R,DM R,CM濾波器元件參數設計 共模參數的選取 C接在相線和之間，該電容器容量過大將會y造成漏電流過大，安全性降低。對漏電流要求越小越好，安全標準通常為幾百口A到幾mA。EMI對地漏電流I計算公式為yI=2nfCV(10)TOC\o"1-5"\h\zy c式中：f為電網頻率。在本例中，V是電容C上的壓降,f=50Hz,C=2C,V=220/2=110V，則c y y cC^#?(11)y若設定對地漏電流為0.15mA，可求得C~2200pF。將C代入步驟(2)中求得y yf值，再將f代入式(6)中可得R,CM R,CM{1__F丄L二" (12)c――差模參數選取 由式(8)可知，C，C，以及L的選取沒有x1 x2 d唯一解，允許設計者有一定的自由度。由圖2可知，共模電感L的漏感L也可抑制差模噪聲，有時為了簡化濾波器，也可以省去L。經驗表明；漏感L量值多為L量值的0.5%?2%。L可D g c g實測獲得。此時，相應地C、C值要更大。x1 cx2EMI濾波器設計專題(華南理工大學電力學院AndrewZhang)1、 EMI濾波器基本概念電源線是干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑，通過電源線，電網的干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作，同樣設備產生的干擾也可能通過電源線傳到電網上，干擾其他設備的正常工作。因此，必須在設備的電源進線處加入EMI濾波器，這種濾波器是低通濾波器，它只允許設備正常工作頻率信號進入設備(一般來說就是工頻50Hz,60Hz或者中頻400Hz），而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。由此我們知道EMI的作用主要有兩個：a抑制交流電網中的高頻干擾對設備的影響；b抑制設備（本文主要指高頻開關電源）對交流電網的干擾。2、 干擾的分類一般我們常把干擾分為共模干擾和差模干擾兩大類。所謂共模干擾就是任何載流導體與參考地之間不希望有的電位差；而差模干擾則是任何兩個載流導體之間不希望有的電位差。這兩種干擾的來源可以從以下兩個方面進行考慮：2.1共模干擾的來源：架空導線載傳輸的過程中會受到周圍空間電磁環(huán)境的輻射，火線、中線和安全地上所感應的信號的幅值和相位幾乎是相等的，由于安全地線要和相連接，所以就形成了火線、中線和安全地之間的共模干擾。2.2差模干擾的來源：共用一條輸電線的不同設備，當其中的某一設備進行切換操作時，火線和中線之間會形成幅值大致相等而相位相反的信號，這種信號就是差模干擾。簡單地說，共模干擾就是兩個都是進去，而差模干擾則是一進一出。3、 EMI濾波器設計EMI濾波器的典型結構EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號順利通過，而對高頻干擾有抑制作用。怎樣才能抑制這些高頻干擾信號呢？無非就是要在信號進入設備之前把它遏制，也就是說，在輸入電路部分對高頻干擾形成所謂的阻抗失配。在開關電源中常用的EMI濾波器的結構如圖1所示。圖中的L就是共模電感，它是在同一個磁環(huán)上繞制兩個繞向相反，匝數相同的線圈所形成的，如圖2所示。它只對共模干擾有抑制作用，對差模干擾卻沒有抑制作用，這是為什么呢？我們可以從物理的角度來解釋：圖2共模電感（環(huán)形電感比較難畫，這是截來的圖片，電流和磁通都沒有畫上去，見諒！）當電網輸入共模干擾時，這兩種方向相同的縱向噪聲電流如圖2中的，由右手螺旋定則可知，兩個線圈產生的磁通（實線所示）順向串連磁通相加，電感呈現出高阻抗，阻止共模干擾進入開關電源。同時也阻止了開關電源所產生的干擾向電網擴散，以免污染交流電網。而差模干擾電流和在L1和L2中所產生的磁通如圖中和（虛線所示），它們反向串連，磁通相互抵消，感抗為零。差模干擾和工頻交流電在形式上是一樣的，所以共模電感對差模干擾和工頻交流有用信號都沒有影響。EMI濾波器的性能指標任何一種產品都有它特定的性能指標，或者是客戶所期望的，或者是某些標準所規(guī)定的。我們設計產品的技術目標就是滿足這些指標就可以了。所謂的“看菜吃飯，量體裁衣”。EMI濾波器最重要的技術指標是對干擾的抑制能力，常常用所謂的插入損耗（InsertionLoss）來表示，它的定義是：沒有接入濾波器時從干擾源傳輸到負載的功率P1和接入濾波器后從干擾源傳輸到負載的功率P2之比，用分貝（dB）表示。圖3EMI等效原理圖其中(1)所以：(2)由圖3(a)可知(3)圖3(b)是一個二端口網絡，它的傳輸方程為(4)又因為有(5)由(2)－(5)式可知(6)所以(7)由(7)式可以看出，EMI濾波器的插入損耗與濾波網絡的網絡參量以及源端和負載端的阻抗有關。為避免濾除有用信號,插損指標須謹慎提出。不論是軍用還是民用EMC標準，對設備或分系統的電源線傳導干擾電平都有明確的規(guī)定，預估或測試獲得的EMI傳導干擾電平和標準傳導干擾電平之間的差值即所需的EMI濾波器的最小插損。然而，對不同的單臺設備都進行EMC測試，而后分析其傳導干擾特性，設計合乎要求的濾波器，這在實際工程中顯然是不可能的。事實上，國家標準中規(guī)定了電源濾波器插入損耗的測試方法。在標準測試條件下，一般軍用電源濾波器應滿足10kHz?30MHz圍插入損耗30?60dB。工程設計人員只需要根據實際情況選擇合適的濾波器。EMI濾波器設計原理在圖3(b)中我們把濾波器等效成為一個而端口網絡，它的輸入阻抗為，輸出阻抗為，由信號傳輸理論可知，如果輸入端和輸出端的阻抗不相等(這就是前面所提及的阻抗失配)，高頻信號就會在輸入端產生反射，定義其反射系數為：(8)顯然，和相差越大便越大，信號反射越大，高頻的干擾信號就越難通過。根據圖3(b)所示的二端口網絡模型的阻抗表達方式(9)得到10)這樣，通過調節(jié)網絡參數， ， ，就可以在一定的圍使得阻抗失配?？偟膩碚f，濾波器的設計要遵循以下的原則：源阻是高阻抗的，則濾波器的輸入阻抗就應該是低阻抗的，反之也同樣成立。4、 EMI濾波器的元件選擇4.1濾波電容的選擇與一般的濾波器不同，圖1所示的EMI濾波器典型結構中電容使用了兩種下標，和，接于相線和中線之間，稱為差模電容，接于相線或中線與地之間，稱為共模電容，下標X和Y不僅表明了它在濾波電路中的作用，還表明了它在濾波電路中的安全等級。在設計或選用濾波器時都必須充分考慮這兩類電容的安全性能，因為它直接關系到濾波網絡的安全性能。4.1.1差模電容器的選擇指的是應用于這樣的場合：當電容失效后，不會導致電擊穿現象，不會危及人生安全。除了要承受電源相線與中線的電壓之外，還要承受相線與中線之間各種干擾源的峰值電壓。根據差模電容應用的最壞情況和電源斷開的條件，電容器的安全等級又分為和兩個等級具體規(guī)定見表1。所以設計濾波器時應根據不同的應用場合來選擇不同安全等級的電容器。表1差模電容的分類CX電容等級用于設備的峰值電壓VP應用場合在電強度試驗期間所加的峰值電壓VPCX1VP>1.2kV出現瞬態(tài)浪涌峰值對C〈0.33uF,VP=4kV對C>0.33uF,VP= kVCX2VP〈1.2kV一般場合1.4kV若的安全性能（即耐壓性能）欠佳，在上述的峰值電壓出現時，它有可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人生安全，但會使得濾波器的功能下降或喪失。通常EMI濾波器的差模電容必須經過1500—1700V直流電壓1分鐘耐壓測試。4.1.2共模電容及其漏電流控制用于電子設備電源的EMI濾波器共模濾波性能常常受到共模電容的制約。電容即跨接在相線或中線與安全地之間的電容。接地的電流主要就是指流過共模電容的電流，由于流過電容的電流由電源電壓，電源頻率和電容值共同決定，所以漏電流可以由下式估算：（11）其中為電源電壓，為電源頻率。由于漏電流的大小對于人生安全至關重要，不同國家對不同電子設備接地漏電流都做了嚴格的規(guī)定。若對最大漏電流做出了規(guī)定，則可由（11）式可以求出最大允許接地電容值（即電容的值）：（12）如GJB151A-97中規(guī)定，每根導線的線與地之間的電容值，對于50Hz的設備,應小于對于400Hz的設備，應小于 ；對于負載小于0.5kW的設備,濾波電容量不應超過。標準中的規(guī)定除了要滿足（12）式外，還