開關(guān)電源EMI濾波器原理與設計研究

摘要：在開關(guān)電源中，EMI濾波器對共模和差模傳導噪聲的抑制起著顯著的作用。在研究濾波器原理的基礎上，探討了一種對共模、差模信號進行獨立分析，分別建模的方法，最后基于此提出了一種EMI濾波器的設計程序。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；EMI濾波器；共模；差模

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，已經(jīng)被廣泛地應用于工業(yè)、國防、家電產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。在開關(guān)電源應用于交流電網(wǎng)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(shù)外，還增加了大量高次諧波。同時，開關(guān)電源中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作（從幾十kHz到數(shù)MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）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干擾和近場輻射干擾，傳導干擾還會注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)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(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(guān)電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導體器件開關(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，頻率范圍在0.15～30MHz。設計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?；谏鲜鰳藴?，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)字信號處理領(lǐng)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Zsink。濾波器指標（fstop和Hstop）可以由一階、二階或三階低通濾波器實現(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ωk相關(guān)項（當kn），只取含ωn相關(guān)項。表1列出了幾種常見的濾波器拓撲及其傳遞函數(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 濾波器設計等效電路

表1 幾種濾波器模型及傳遞函數(shù)

1.2 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(chǎn)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(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(xiàn)在對應的濾波器設計過程中，實現(xiàn)參數(shù)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模或差模噪聲至少衰減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，詳細內(nèi)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，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遠小于LC，因而對共模噪聲抑制作用也相對很小。

圖2 一種常用的濾波器拓撲

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LCM，等效共模電容記為CCM，則有

LCM=LC＋1/2LD （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且認為Cy/2Cx2），則有

LDM=2LD＋Lg（3）

CDM=Cx1=Cx2（4）

LC型濾波器截止頻率計算公式為

將式（1）及式（2）代入式（5），則有

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。

2 設計EMI濾波器的實際方法

2.1 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(wǎng)阻抗有關(guān)。電網(wǎng)阻抗Zsink通常利用靜態(tài)阻抗補償網(wǎng)絡(LISN)來校正，接在濾波器與電網(wǎng)之間，包括電感、電容和一個50Ω電阻，從而保證電網(wǎng)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(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)：當其中任意兩只二極管導通時，Zsource等效為一個電壓源VS與一個低值阻抗ZS串連；當二極管全部截止時，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]。

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(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(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[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)電路拓撲及參數(shù)建模的方案求解源阻抗難以實現(xiàn)，因而，在設計中往往采用實際測量Zsource。

2.2 實際設計步驟

EMI濾波器設計往往要求在實現(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，在設計前要求確定以下參量，以實現(xiàn)設計的優(yōu)化。

1）測量干擾源等效阻抗Zsource和電網(wǎng)等效阻抗。實際過程中往往是依靠理論和經(jīng)驗的指導，先作出電源的PCB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。

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，做出相應的干擾頻譜。

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。

（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，CM－f和Vmeasure，DM－f，其中Vmeasure，CM和Vmeasure，DM已經(jīng)測得，Vstandard，CM和Vstandard，DM可參照傳導EMI干擾國標設定。加上3dB的原因在于用噪音分離器的測量值比實際值要大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即為fR,CM和fR，DM。作Vmeasure，CM－f和Vmeasure，DM－f的切線，切線斜率分別為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fR,CM和fR，DM，圖6所示為其示意圖。

（3）濾波器元件參數(shù)設計

--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，安全標準通常為幾百μA到幾mA。

EMI對地漏電流Iy計算公式為

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=2Cy，Vc=220/2=110V，則

若設定對地漏電流為0.15mA，可求得Cy≈2200pF。將Cy代入步驟（2）中求得fR,CM值，再將fR,CM代入式（6）中可得

--差模參數(shù)選取 由式（8）可知，Cx1，Cx2，以及LD的選取沒有唯一解，允許設計者有一定的自由度。

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)驗表明，漏感Lg量值多為Lc量值的0.5％～2％。Lg可實測獲得。此時，相應地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，因而往往需要在第一次確定參數(shù)之后反復修正參數(shù)，以及使用低ESR和ESL的電容，優(yōu)化繞制磁芯的材料和工藝，逐步逼近要求的技術(shù)指標。

由于只涉及到單級濾波器的設計，如LC型濾波器衰減程度只有40dB/dec，當要求衰減程度在60～80dB以上的指標時，往往需要使用多級濾波器。

通用型的EMI濾波器通常很難設計，這是由于不同的功率變換器之間，由于拓撲、選用元件、PCB布版等原因，電磁環(huán)境水平相差很大，再加上阻抗匹配的問題，在很大程度上影響了濾波器的通用性，所以，濾波器的設計往往需要有針對性，并在實際調(diào)試中逐步修正。