基于EMI濾波器的抑制開關(guān)電源傳導干擾的方法設(shè)計

1 引言

與傳統(tǒng)線性電源相比，開關(guān)電源作為一種新型綠色電源，因其具有體積小，重量輕，高效率等優(yōu)點，在軍用和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其內(nèi)部含有高速通斷的開關(guān)器件并采用特殊的調(diào)制方式，因此會產(chǎn)生大量地EMI，從而對其本身及其使用開關(guān)電源的產(chǎn)品的整體性能造成嚴重影響。EMI濾波器是抑制開關(guān)電源傳導干擾的有效手段，因此有必要對EMI濾波器的設(shè)計方法進行深入研究。這里以某型號開關(guān)電源作為研究對象，詳細敘述了EMI濾波器設(shè)計方法，為解決開關(guān)電源電磁兼容問題提供了參考。

2 電磁干擾測試方法

2．1 測試時產(chǎn)品工作狀態(tài)

該開關(guān)電源輸入電壓變化范圍為18～36 V，測試時輸入電壓為28 V，輸出穩(wěn)壓為12 V，工作頻率約為250 kHz，最大工作電流為4 A。在測試過程中，該開關(guān)電源產(chǎn)品一直處于半載工作狀態(tài)。

2．2 電磁干擾測試方法

開關(guān)電源傳導干擾主要由差模干擾和共模干擾組成。前者指相線與中線之間流動的電流噪聲；后者指相線或中線與地線之間流動的電流噪聲。根據(jù)干擾信號的特點可粗略地劃分為3個頻段：0．15～0．5 MHz以差模干擾為主：0．5～5 MHz差、共模干擾共存；5 MHz以上以共模干擾為主。在設(shè)計時若哪個頻段不達標，可針對該頻段加強濾波效果。通常，EMI濾波器由差模網(wǎng)絡(luò)和共模網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，為了確定其中元件參數(shù)的具體取值，需先得到差模電流和共模電流的具體數(shù)值。測試方法是通過電流探頭分離出差模電流和共模電流。其測試框圖如圖1所示。

若將共模電流和差模電流分別記為Icm與Idm，則在共模電流測試中，測得電流為：

I測量值=I相線+I中線=（Icm+Idm）+（Icm-Idm）=2Icm （1）

而在差模電流測試中，測得電流為：

I測量值=I相線-I中線=（Icm+Idm）-（Icm-Idm）=2Idm （2）

在整個測試頻段內(nèi)，電流探頭的因子可用軟件補償，采用自動測試系統(tǒng)測量完畢后，則顯然從最終測量值減去6 dB才是共模電流和差模電流的實際電流值大小。其減去6 dB后的測量結(jié)果如圖2所示。

3 EMI濾波器設(shè)計步驟及參數(shù)設(shè)計

3．1 EMI濾波器設(shè)計步驟

根據(jù)圖2獲得的測試曲線數(shù)值，分別減去用直線所代表的設(shè)備極限值，但為了保證濾波器插入損耗的設(shè)計裕量，一般在最后結(jié)果加上6 dB，具體計算公式為：插入損耗（dB）=測量值（dB）-設(shè)備極限值（dB）+6 dB。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可以得到整個頻段范圍之內(nèi)所需插入的損耗值，具體結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3，分別畫一條斜率為40 dB／dec的直線，并盡可能靠近圖中曲線的第一個尖峰值，記下該直線與水平軸的交點，而根據(jù)該交點所得到的頻率值則分別為所需濾波器的共模截止頻率和差模截止頻率。

根據(jù)濾波器的共模截止頻率和差模截止頻率，分別設(shè)計共模濾波器和差模濾波器。

3．2 EMI濾波器的確定

EMI濾波器本質(zhì)上都是低通濾波器，其一般結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中，Cx1和Cx2為差模電容，主要用于抑制差模噪聲，Cy為共模電容，主要用于抑制共模噪聲，Ld為差模電感，主要用來通過工頻或直流電流，同時濾除高頻傳導電流，Lc為共模電感，主要是為抑制共模干擾而設(shè)計，但由于Lc兩個線圈之間的不對稱性，使得Lc存在一定差模漏感，這樣使得實際的共模電感也可在一定程度上抑制差模噪聲。經(jīng)實驗表明，漏感量值多為Lc量值的0．5％～2％。根據(jù)文獻給出的分析方法，圖4的共模、差模等效電路如圖5所示。

3．3 EMI濾波器元件參數(shù)設(shè)計

3．3．1 共模參數(shù)的選取

由于共模電容是連接在相線或中線與地線之間的，則共模電容的失效可能會導致人員電擊，其次，對共模電容也應(yīng)有最大漏電的限制。因此，對漏電流要求越小越好，安全電流通常為幾百微安到幾毫安，這就使得共模電容的取值一般都比較小，通常采用高耐壓的陶瓷電容（安規(guī)電容），電容量一般為幾百至幾萬皮法。此處取Cy=2 200 pF，參照文獻中的計算方法，可得Lc≈117μH。

3．3．2 差模參數(shù)的選取

對于差模參數(shù)而言，Cx1，Cx2以及Ld的選取沒有唯一解，允許設(shè)計者有一定的自由度。此時，相應(yīng)地Cx1，Cx2值要更大，此處選取Cx1 =Cx2=0．22μF，并忽略漏感值，可得Ld≈10μH。

4 EMI濾波器的仿真

4．1 共模濾波器仿真

為了使仿真結(jié)果更接近實際，在圖5a基礎(chǔ)上添加電感和電容的高頻寄生參數(shù)，當頻率升高時，電容的絕緣漏電阻Rp》》1／（2πfCy），則電容阻抗為：

圖6示出共模濾波器電路及共模插入損耗仿真結(jié)果。由于噪聲源阻抗Zs是未知的，則Zs可以用一個電流源Iscm和一個高阻抗Zp并聯(lián)表示。根據(jù)工程經(jīng)驗，取Rs=0．15 Ω，Lp=15 nH，RL=10 mΩ，Cp=5 pF，Zp=10 kΩ。由圖6a可知：

I（ZLISSN／2）=（Z2Cy‖Zp）Iscm／（ZLc+ZLISN／2+Z2Cy‖Zp） （5）

根據(jù)式（5），可得到共模插入損耗計算公式：

利用OrCAD10．5／PSpice軟件仿真后，其仿真結(jié)果如圖6b所示。

由仿真結(jié)果可知，在750 kHz處大概有21 dB的插損，基本滿足了設(shè)計的要求，雖然在共模濾波器諧振頻率點217 kHz附近出現(xiàn)負的插損，但由圖2a可知，在該諧振頻率點處共模干擾電流很小，所以對整體濾波效果影響不大。

4．2 差模濾波器仿真

與共模分析方法類似，在圖4b的基礎(chǔ)上添加電感和電容的高頻寄生參數(shù)：Rs=0．15 Ω，Lp=40 nH，RL=1．5 mΩ，Cp=5 pF，Zp=10 kΩ。圖7示出差模濾波器電路圖和差模插入損耗仿真結(jié)果。

由圖7a可知：

利用OrCAD10．5／PSpice軟件仿真后，其仿真結(jié)果如圖7b所示。由仿真結(jié)果可知，在250 kHz處大概有50 dB的插損，也滿足了設(shè)計的要求。

5 EMI濾波器的實現(xiàn)

將設(shè)計好的EMI濾波器連入開關(guān)電源回路后，可以測得此開關(guān)電源的共模干擾電流和差模干擾電流的大小如圖8所示。

由測試結(jié)果可知，EMI濾波器的實際濾波效果與理論存在一些偏差，這是因為濾波器的性能不僅取決于其本身，同時與噪聲源阻抗也有很大的關(guān)系。但總體而言，該濾波器基本滿足了設(shè)計要求，取得了不錯的EMI抑制效果。

6 結(jié)論

首先通過測試分析得到該開關(guān)電源的共模干擾電流和差模干擾電流的具體大小，在此基礎(chǔ)上分別建立相應(yīng)的共模濾波器和差模濾波器，并經(jīng)過PSpice軟件進行共模濾波器和差模濾波器的設(shè)計與仿真。結(jié)合設(shè)計過程中的EMI濾波器具體參數(shù)值，針對此開關(guān)電源的EMI濾波器已經(jīng)實現(xiàn)，實際測試結(jié)果表明了該EMI濾波器設(shè)計方法的合理性和有效性。