利用滤波器抑制开关电源的电磁干扰
日期：2008-10-15 18:59:59 来源：中国自动化网
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1 引言
开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。随着电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。
2 开关电源产生EMI的原理
开关电源产生EMI的原因较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。
基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成单向脉动电源已不再是单一频率的电流，此电流波可分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。实验结果表明，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。
变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：
（1）开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的涌流，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。
（2）由高频变压器产生的干扰当原来导通的开关管关断时，变压器的漏感所产生的反电势
E=－Ldi/dt
其值与集电极的电流变化率（di/dt）成正比，与漏感量成正比，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，形成传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会传导向配电系统，影响其它用电设备的安全和经济运行。
（3）由输出整流二极管产生的干扰在输出整流二极管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。
对上述开关电源产生的EMI所采取的抑制措施，主要有正确选择半导体器件、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法。本文仅介绍滤波抑制措施。
3 抑制开关电源EMI的滤波措施
滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。开关电源的工作频率约为10kHz～100kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就可得到满意的效果。
3、1 EMI滤波器的结构及工作原理
图1为开关电源EMI滤波器的基本网络结构。
该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，其中L1和L2是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈（LCM），L3、L4是独立的差模抑制电感。如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1和Cy，L2和Cy就分别构成L—E和N—E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。
共模滤波网络结构等效电路如图2所示，它由LCM和Cy组成。图中右边是开关电源的共模噪声等效电路，并联电容Cp包括开关管集电极和地之间的分布电容及高频变压器初次级间的分布电容；Rp是电流源的并联电阻。开关电源共模噪声等效电路的源内阻ZSMPS是高阻抗容性的。
图1中，L1、L2两个线圈所绕匝数相同、绕向相反，使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈的电感值保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1和L2的电感量是不相等的，于是，（L1—L2）形成差模电感LDM，它和L3与L4形成的独立差模抑制电感与Cx电容器又组成L—N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。
差模干扰信号等效电路如图3所示。它由高阻抗干扰等效电路和低阻抗干扰等效电路两部分组成。图3中，开关S表示桥式整流二极管导通与否，因此高低两个等效电路是不能同时存在的；Rs是分布电阻，Ls是分布电感，数值都很小。为与共模情况区别，Rp和Cp分别用Rp′和Cp′表示。
差模EMI信号滤波网络结构等效电路如图4所示。LDM是差模电感，包含共模线圈形成的差模电感和独立的差模抑制电感；CLL是滤波网络选用的并联电容。图4（b)与图4(a)相比，增加了一个CLL2，其数值的选择使滤波网络与负载构成失配状态。
由于图1电路是无源网络，它具有互易性。当它安装在系统中后，既能有效地抑制电子设备外部的EMI信号传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的传向电网的EMI信号，起到同时衰减两组共模EMI信号和一组差模EMI信号的作用。
3、2 EMI滤波器选用与安装
开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了2种不同的下标“X”和“Y”，不仅说明了它们在滤波网络中的作用，还表明了它们在滤波网络中的安全等级。无论是选用还是设计EMI滤波器，都要认真地考虑CX和CY的安全等级。在实际应用中，CX电容接在单相电源线的L和N之间，它上面除加有电源额定电
压外，还会迭加L和N之间存在的EMI信号峰值电压，因此要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值，正确选用适合安全等级的CX电容器。CY电容器是接在电源供电线L、N与金属外壳（E）之间的，对于220V，50Hz电源，它除符合250V峰值电压的耐压要求外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，以避免可能出现的击穿短路现象。
EMI滤波器是具有互易性的，即把负载接在电源端还是负载端均可。在实际应用中，为达到有效抑制EMI信号的目的，必须根据滤波器两端将要连接的EMI信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时，即图5中Zs≠Zin、ZL≠Zout时，EMI信号会在其输入和输出端产生反射，增加对EMI信号的衰减。其信号的衰减A与反射Γ的关系为：
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开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。随着电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。
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2 开关电源产生EMI的原理
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基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成单向脉动电源已不再是单一频率的电流，此电流波可分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。实验结果表明，谐波（特别是高次谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。
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变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：
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（1）开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的涌流，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。
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（2）由高频变压器产生的干扰当原来导通的开关管关断时，变压器的漏感所产生的反电势
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其值与集电极的电流变化率（di/dt）成正比，与漏感量成正比，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，形成传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会传导向配电系统，影响其它用电设备的安全和经济运行。
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（3）由输出整流二极管产生的干扰在输出整流二极管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。
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3 抑制开关电源EMI的滤波措施
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滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。开关电源的工作频率约为10kHz～100kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就可得到满意的效果。
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3、1 EMI滤波器的结构及工作原理
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图1为开关电源EMI滤波器的基本网络结构。
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该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，其中L1和L2是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈（LCM），L3、L4是独立的差模抑制电感。如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1和Cy，L2和Cy就分别构成L—E和N—E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。
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共模滤波网络结构等效电路如图2所示，它由LCM和Cy组成。图中右边是开关电源的共模噪声等效电路，并联电容Cp包括开关管集电极和地之间的分布电容及高频变压器初次级间的分布电容；Rp是电流源的并联电阻。开关电源共模噪声等效电路的源内阻ZSMPS是高阻抗容性的。
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图1中，L1、L2两个线圈所绕匝数相同、绕向相反，使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈的电感值保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1和L2的电感量是不相等的，于是，（L1—L2）形成差模电感LDM，它和L3与L4形成的独立差模抑制电感与Cx电容器又组成L—N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。
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压外，还会迭加L和N之间存在的EMI信号峰值电压，因此要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值，正确选用适合安全等级的CX电容器。CY电容器是接在电源供电线L、N与金属外壳（E）之间的，对于220V，50Hz电源，它除符合250V峰值电压的耐压要求外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，以避免可能出现的击穿短路现象。
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