利用濾波器抑制開關(guān)電源的電磁干擾

摘要：分析了開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的主要原因，介紹了利用濾波器抑制電磁干擾的原理以及濾波器的結(jié)構(gòu)和選用方法。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源電磁干擾電磁兼容性濾波器

1引言

開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等特點，廣泛用于計算機(jī)及外圍設(shè)備、通信、自動控制、家用電器等領(lǐng)域。但開關(guān)電源的突出缺點是產(chǎn)生較強的電磁干擾（EMI）。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會變成一個干擾源。隨著電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計者越來越關(guān)注的問題。

2開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理

開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原因較多，其中由基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。

基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因為正弦波電源通過整流器后變成單向脈動電源已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實驗結(jié)果表明，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。

變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：

（1）開關(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲能電感在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流，將造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。

（2）由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢

E=－Ldi/dt

其值與集電極的電流變化率（di/dt）成正比，與漏感量成正比，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，形成傳導(dǎo)性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導(dǎo)向配電系統(tǒng)，影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運行。

（3）由輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾在輸出整流二極管截止時，有一個反向電流，它恢復(fù)到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復(fù)到零點的二級管稱為硬恢復(fù)特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下，將產(chǎn)生較強的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。

對上述開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI所采取的抑制措施，主要有正確選擇半導(dǎo)體器件、變壓器鐵芯材料和在開關(guān)電源的電路中采取屏蔽、接地、濾波等幾種方法。本文僅介紹濾波抑制措施。

圖1開關(guān)電源EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2共模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3抑制開關(guān)電源EMI的濾波措施

濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關(guān)電源EMI信號的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對稱性干擾；共模干擾在導(dǎo)線與地（機(jī)殼）之間傳輸，屬于非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開關(guān)電源的工作頻率約為10kHz～100kHz。EMC很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10kHz算起。對開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號，只要選擇適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娐坊蚓W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單的EMI濾波器，就可得到滿意的效果。

3?1EMI濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為開關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

該濾波器是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，其中L1和L2是繞在同一磁環(huán)上的2只獨立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈（LCM），L3、L4是獨立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負(fù)載端接被干擾設(shè)備，那么L1和Cy，L2和Cy就分別構(gòu)成L—E和N—E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。

共模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路如圖2所示，它由LCM和Cy組成。圖中右邊是開關(guān)電源的共模噪聲等效電路，并聯(lián)電容Cp包括開關(guān)管集電極和地之間的分布電容及高頻變壓器初次級間的分布電容；Rp是電流源的并聯(lián)電阻。開關(guān)電源共模噪聲等效電路的源內(nèi)阻ZSMPS是高阻抗容性的。

圖1中，L1、L2兩個線圈所繞匝數(shù)相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會使磁環(huán)達(dá)到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得L1和L2的電感量是不相等的，于是，（L1—L2）形成差模電感LDM，它和L3與L4形成的獨立差模抑制電感與Cx電容器又組成L—N獨立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模EMI信號。

差模干擾信號等效電路如圖3所示。它由高阻抗干擾等效電路和低阻抗干擾等效電路兩部分組成。圖3中，開關(guān)S表示橋式整流二極管導(dǎo)通與否，因此高低兩個等效電路是不能同時存在的；Rs是分布電阻，Ls是分布電感，數(shù)值都很小。為與共模情況區(qū)別，Rp和Cp分別用Rp′和Cp′表示。

差模EMI信號濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路如圖4所示。LDM是差模電感，包含共模線圈形成的差模電感和獨立的差模抑制電感；CLL是濾波網(wǎng)絡(luò)選用的并聯(lián)電容。圖4（b)與圖4(a)相比，增加了一個CLL2，其數(shù)值的選擇使濾波網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載構(gòu)成失配狀態(tài)。

由于圖1電路是無源網(wǎng)絡(luò)，它具有互易性。當(dāng)它安裝在系統(tǒng)中后，既能有效地抑制電子設(shè)備外部的EMI信號傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的EMI信號，起到同時衰減兩組共模EMI信號和一組差模EMI信號的作用。

3?2EMI濾波器選用與安裝

開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了2種不同的下標(biāo)“X”和“Y”，不僅說明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級。無論是選用還是設(shè)計EMI濾波器，都要認(rèn)真地考慮CX和CY的安全等級。在實際應(yīng)用中，CX電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電

圖3開關(guān)電源EMI差模信號等效電路

圖4差模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(a)濾波網(wǎng)絡(luò)帶CLL

(b)濾波網(wǎng)絡(luò)帶CLL及CLL2

圖5濾波器工作原理

壓外，還會迭加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓，因此要根據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合安全等級的CX電容器。CY電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼（E）之間的，對于220V，50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全余量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。

EMI濾波器是具有互易性的，即把負(fù)載接在電源端還是負(fù)載端均可。在實際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當(dāng)EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，即圖5中Zs≠Zin、ZL≠Zout時，EMI信號會在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關(guān)系為：

A=－10lg(1－|Γ|2)

電磁兼容設(shè)計的目的是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)符合最大失配的原則下，盡可能合理選擇元件參數(shù)，使EMI信號衰減最大。

4結(jié)語

在使用開關(guān)電源濾波器時，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將會大大降低濾波器的抑制效果。