1、張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（開關電源EMI 濾波器原理與設計研究魏應冬，吳燮華(浙江大學電氣，浙江杭州310027）摘要：在開關電源中，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、差模信號進行了一種 EMI 濾波器的設計程序。分析，分別建模的方法，最后基于此提出：開關電源；EMI 濾波器；共模；差模0引言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點，已經被廣泛地應用于工業、國防、家電等各個領域。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，這除了大

2、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。從已的開關電源可知，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

3、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。1EMI 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，因而電磁發射 EME(Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號，其頻率范圍從開關工作頻率到幾 MHz。所以，傳導型電磁環境（EME）的測量，正如很多國際和標準所規定，頻率范圍在 0.1530MHz。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 150

4、kHz 的 EME 衰減至合理范圍內即可。張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（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）對電網頻率低衰減（滿足規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 Zsource、電網等效阻抗為 Zsi

5、nk。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，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k相關項（當 k<n），只取含n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張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（1.2EMI 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，

6、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，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，實現參數優化。在文獻6和7中，提供了兩種用于區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，

7、詳細內容可見參考文獻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。

8、張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（a）常用的濾波器拓撲（b）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 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 且認為 Cy/2<<Cx2），則有LDM=2LDLg（3）張飛實戰電子：勿擾 100%

9、拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，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2.1設計中的幾點考慮張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，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阻抗有關。電網阻抗 Zsink通常利用靜態阻抗補償網絡(LISN)來校正，接在濾波器與電網之間，包括電感、電容和一個 50 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狀態，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；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：當其中任 意兩只二極管導通時，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。因而噪聲源差模等效阻抗 Zsource 以 2 倍工頻頻率在上 述兩種狀態切換2。（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張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（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

12、寄生參數，實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 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 Zsource。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，以實現設計的優化

13、。1）測量干擾源等效阻抗 Zsource 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 PCB 板，這是因為共模、差模的噪聲源和干擾途徑互不相小差異都可能導致很大 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，CMf和 Vmeasure，DMf，其中 Vmeasure，CM 和 Vmeasu

14、re，DM 已經測得，Vstandard，CM 和 Vstandard，DM 可參照傳導 EMI 干擾國標設定。加上 3dB 的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，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，即可得出 fR,CM 和 fR，DM，圖 6 所示為其示意圖。張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（a）實線為共模目標衰減；虛線為斜率為 40dB/dec 切線（b）實線為差模目標衰減；虛線為斜率為 60dB/dec 切線圖 6fR,DM 與 fR,CM 的確定（3）濾波器元件參數設計共模參數的選取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）張飛實戰電子：勿擾 100%拒絕水貼，10 名瘋狂工程師運營的點擊打開，有問必答）（若設定對地漏電流為 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。經驗表明，漏感 Lg 量值多為 Lc 量值的 0.52。Lg 可實測獲得。此時，相應地 Cx1、Ccx2 值要更大。3結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的影響，尤其在高頻段更加顯著，因而往往