濾波器如何設計 參數(shù)如何選擇

我將電子產(chǎn)品：開關電源系統(tǒng)的EMI－傳導快速設計輸入濾波器的設計細節(jié)；再書文給電子設計者；開關電源的輸入EMI低通濾波器放置在輸入端對系統(tǒng)的電快速脈沖群也是有幫助的。

我再補充一下；研討會演講的下面的開關電源系統(tǒng)的EMS的圖文：

就開關電源來說！如果撇開開關電源的輸入濾波器不說，

1．開關電源線路本身對脈沖群干擾的抑制作用實在是很低的，究其原因，主要在于脈沖群干擾的本質(zhì)是高頻共模干擾。

2．開關電源線路中的濾波電容都是針對抑制低頻差模干擾而設置的，其中的電解電容對于開關電源本身的紋波抑制作用尚且不足，更不要說針對諧波成分達到60MHz以上的脈沖群干擾有抑制作用了，

3．在用示波器觀察開關電源輸入端和輸出端的脈沖群波形時，看不出有明顯的干擾衰減作用。

這樣看來，就抑制開關電源所受到的脈沖群干擾來說，采用開關電源的輸入濾波器是一個重要措施。

EMS的問題注意要重點注意PCB設計的問題?。ㄑ杏憰堰M行了具體講解）

1．開關電源線路中的高頻變壓器設計的好壞，對于脈沖群干擾有一定的抑制作用；

2．開關電源初級回路與次級電路之間的跨接電容，能為從初級回路進入次級回路的共模干擾返回初級回路提供通路，因此對于脈沖群干擾也有一定的抑制作用；

3．開關電源輸出端共模濾波電路的設置，能對脈沖群干擾有一定抑制作用。

4．開關電源線路本身對脈沖群干擾沒有什么抑制作用，但是如果開關電源的線路布局不佳，則更能加劇脈沖群干擾對開關電源的入侵。

特別是脈沖群干擾的本質(zhì)是傳導與輻射干擾的復合，即使由于輸入濾波器的采用，抑制了其中的傳導干擾的成分，但存在在傳輸線路周圍的輻射干擾依然存在，依然可以透過開關電源的不良布局

（開關電源的初級或次級回路布局距離太長，就會形成了“大環(huán)天線”），

感應脈沖群干擾中的輻射成分，進而影響整個設備的抗干擾性能。

為什么要設計EMI低通濾波器來增加插入高頻損耗？

關鍵點1：

共模干擾的產(chǎn)生：是開關電源（開關MOS，輸出功率較大時MOS會增加散熱器設計）與大地（測試系統(tǒng)的參考接地板）之間存在分布電容；開關MOS及輸出整流二極管在電路中方波電壓的高頻分量通過分布電容傳入到大地（參考接地板）；這樣就形成與電源線的回路?；蛘哒f；高頻分量通過分布電容與電源線構(gòu)成回路產(chǎn)生共模騷擾！

關鍵點2：

差模干擾的產(chǎn)生：主要是開關電源中開關管工作在開關狀態(tài)；當開關管開通時流過電源線的電流線性上升；開關管關斷時電流又突變?yōu)镺；因此流過電源線的電流為高頻的重復三角波脈動電流；其含有豐富的高頻諧波分量；隨著頻率的升高該諧波分量的幅度會越來越??；因此差模騷擾是隨頻率的升高而降低的！

注意：隨著頻率的升高我們開關器件對地之間分布電容變得很關鍵！此時共模的干擾就變得越來越高，小的共模電流就會產(chǎn)生大的干擾！

這部分我可以通過EMI測試系統(tǒng)的CM／DM分離器就可以得到數(shù)據(jù)。

下圖直觀的顯示共模和差模騷擾的回路路徑；

如上圖：開關電源產(chǎn)生的噪聲包含共模噪聲和差模噪聲。共模干擾是由于載流導體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。注意：通常線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。

如下結(jié)構(gòu)圖可以想象如果沒有特定的EMI低通濾波器件我們是無法通過測試標準的！

雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

進行上圖的分析：在EMI傳導騷擾頻段＜30MHz，多數(shù)開關電源騷擾的耦合通道我一般用電路網(wǎng)絡路徑圖來分析的。但是，在開關電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高；因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關電源的等效電路將復雜得多。

注意：在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。還有，在開關管功率較大時，開關管一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾源和電源線傳導的共模騷擾源。

針對對上面的問題：我們的第一想法是要插入濾波器設計；所以開關電源傳導的高效設計實際是我們插入濾波器的設計！

注意設計關鍵思路：在輸入端加濾波器，濾波器阻抗應與電源阻抗失配，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應該是低阻抗（如容量大的并聯(lián)電容）。由于線路阻抗的不平衡性，兩種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變，情況也變得復雜。

對于＜75W開關電源EMI濾波器的測試推薦如下結(jié)構(gòu)：

輸入濾波器的電路設計原理圖

測試輸入濾波電路能達到10dB設計裕量（采用電阻負載測試）

我們通用的工業(yè)及住宅類產(chǎn)品的EMI標準如下：

傳導騷擾的測試頻率范圍為0．15～30MHz，限值要求如下表：

在0．15～1MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以差模的形式存在，

在1～10MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾的形式是差模和共模共存，

在10MHz以上，騷擾的形式主要以共膜為主。

進行機理分析：

差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關管工作在開關狀態(tài)，當開關管開通時，流過電源線的電流會逐漸上升，開關管關斷時電流突變?yōu)榱?，因此，流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，共模則相反隨著頻率的升高器件體之間的分布電容變得越來越關鍵；小的共模電流都能產(chǎn)生大的電磁干擾。

濾波器的設計：通過上面的分析，了解產(chǎn)品的干擾特性和輸入阻抗特性后，設計或者選擇一個濾波器就變得簡單了。如果使用一個現(xiàn)成的濾波器，可以調(diào)用過去積累的濾波器數(shù)據(jù)庫，比對濾波器參數(shù)，找到一個合適的濾波器。如果沒有合適的或者想專門設計一個專用濾波器，可以借助專用的濾波器設計軟件。

我自己設計的公式計算軟件的機理：

1． 一般開關電源的噪聲成分約為1～10MHZ間所以EMI濾波器要在1－10MHZ的插入損耗要盡量好。

2． 濾波器的CM／DM濾波器諧振頻率在10KHZ－50KHZ為好：注意小于開關頻率；

3． 理論上電感量越高對EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率更低，而實際的濾波器只能做到一定寬帶，也就使高頻噪聲的抑制效果變差

舉例說明：我將一只20mH的電感進行頻率－電感＆ 頻率－阻抗 分析；

頻率－電感曲線FREQUENCY—INDUCTANCE CURVE：

頻率－－－阻抗曲線FREQUENCY—IMPEDANCE CURVE：

注意：

電感量愈高，則繞線匝數(shù)愈多，鐵氧體磁芯ui越高，如此將造成低頻阻抗增加（直流阻抗變大）。匝數(shù)增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經(jīng)此電容流通。過高的ui使CORE極易飽和，根據(jù)我多年的設計經(jīng)驗對于鐵氧體材料ui＝10K是比較理想的。

將輸入濾波器進行等效如下：

進行EMI的共模和差模等效如下：

計算諧振頻率（濾波器的截止頻率）：

對于＜75W開關電源EMI輸入濾波器計算結(jié)果如下：

通過測試的濾波器的EMI數(shù)據(jù)與理論的EXCEL的原理計算參數(shù)數(shù)據(jù)是吻合的。因此就可以類推各種不同應用條件下的EMI濾波器的設計！

我們確定fcn（濾波器截止頻率）的一般方法

開關電源輸入濾波器的截止頻率fcn要根據(jù)電磁兼容性設計要求確定。對于騷擾源，要求將騷擾電平降低到規(guī)定的范圍；對于接收器，其接收值體現(xiàn)在對噪聲限值的要求上。對于一階低通濾波器截止頻率可推薦按下式確定：

騷擾源：fcn＝kT×（系統(tǒng)中最低騷擾頻率）；

信號接收機：fcn＝kR×（電磁環(huán)境中最低騷擾頻率）；

式中，kT、kR根據(jù)電磁兼容性要求確定，一般情況下取1／3或1／5。

舉例說明如下：

A．電源噪聲扼流圈或電源輸出濾波器截止頻率取fcn＝30～50kHz，同時要求低于我們的開關電源的最大工作頻率（當CLASS－A／B要求f＝150KHz為測試起點時）；

B．信號噪聲濾波器截止頻率取fcn＝10MHZ～30MHz（對傳輸速率＞100Mbps的信息技術設備）。

此外，對于輸入電流有特殊波形的產(chǎn)品及設備，例如接有直接整流－電容濾波的電源EMI輸入電路：沒有功率因數(shù)校正（PFC）的開關電源和電子鎮(zhèn)流器之類電器設備及產(chǎn)品，如果要濾除2～27／40次（9KHZ）電流諧波傳導干擾，噪聲扼流圈截止頻率fcn可能取得更低一些。

其它標準要求的說明如下：

美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)定電磁干擾起始頻率為300kHz；

國際無線電干擾特別委員會（CISPR）規(guī)定為150kHz；

美國軍標規(guī)定為10kHz。

設計要點：插入濾波器設計；

上圖中如果不插入輸入濾波器，我們很難通過EMI的傳導限值要求！

在實際運用中如果沒有插入輸入EMI的低通濾波器；我們采用差模和共模分離器進行無濾波器系統(tǒng)的理論研究如下：我們的測試的差模和共模的限值情況如下：

分離的差模測試模擬曲線

分離的共模測試模擬曲線

而實際我們需要達到的測試效果如下：要求滿足測試的CLASSA／B的限值要求：

通常實際測試要比限值低5－10dB的設計！實際值為藍色實線的效果，虛線為我們的限值要求；

我們確定fcn（濾波器截止頻率）的準確理論方法

根據(jù)曲線要求進行切線分割法來確定濾波器的截止頻率值

對于一級低通濾波器截止頻率可按下式確定：

騷擾源：fcn＝kT×（系統(tǒng)中最低騷擾頻率）； CLASSA／B＝150KHZ－30MHZ（標準）

接收機：fcn＝kR×（電磁環(huán)境中最低騷擾頻率）； CLASSA／B＝150KHZ－30MHZ

式中，kT、kR根據(jù)電磁兼容性要求確定，一般情況下取1／3或1／5；并且小于開關電源的設計工作頻率！

對于＜75W 的FLY反激的開關電源設計；我在進行差模和共模無濾波器分離測試時得出的曲線進行ClassB的限值要求得出的衰減曲線進行切線分析時；fcn的切點正好差不多在150KHZ的1／3處；因此得出＜75W 的FLY反激的開關電源設計 其截止頻率在50KHZ 附近；因此我的設計建議對于＜75W的FLY開關電源的差模＆共模的截止頻率推薦在10KHZ－50KHZ設計！

如果系統(tǒng)是Ⅱ類器具／結(jié)構(gòu)－ 無接地措施！

濾波器如何設計？參數(shù)如何選擇？

答案是：設計方法相同；實際上就是上面的計算公式中的Y電容要被分布參數(shù)替換了。分布電容往往只有幾PF到幾十PF； 我直接推薦測試好的如下濾波器結(jié)構(gòu)給大家參考；

理論上電感量越高（但該電感的分布電容也越大）對EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率更低，而實際的濾波器只能做到一定寬帶，也就使高頻噪聲的抑制效果變差

（一般開關電源的噪聲成分約為1～10MHZ間，但也有超過10MHZ之情形）。

注意：

電感量愈高，則繞線匝數(shù)愈多，鐵氧體磁芯ui越高，如此將造成低頻阻抗增加（DCR變大）。匝數(shù)增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經(jīng)此電容流通。過高的ui使鐵芯極易飽和，根據(jù)我多年的設計經(jīng)驗對于鐵氧體材料ui＝10K是比較理想的。

根據(jù)我做多年白電產(chǎn)品的設計經(jīng)驗以下的共模電感直接拿來使用，基本上能通過所有的電子產(chǎn)品EMI－傳導干擾的應用。

共模濾波器－性能最佳（＜30W）采用分區(qū)／槽繞（Sectional Winding）

FT20．6參數(shù)規(guī)格

采用分區(qū)／槽繞 共模電感的漏感還可以做為差模電感使用如下圖：

其頻率阻抗曲線如下圖；

如果功率超過30W推薦臥式結(jié)構(gòu)的ET28

設計要點：

共模電感和Y電容的使用要沿著干擾信號的流向構(gòu)成一個LC低通濾波器的拓撲。同理，差模電感和X電容也如此。如下圖示：

濾波器的正確工作方向

對于漏電電流要求不高的相關比如＜5mA漏電流的產(chǎn)品應用＜75W的開關電源系統(tǒng)；如果還有需要更大的傳導設計裕量，我推薦采用2級共模濾波器的設計；整個傳導干擾的設計＜40dB，推薦的標準的電路結(jié)構(gòu)如下；

應用時注意：不同產(chǎn)品的應用漏電流要求是不同的；在漏電流的高要求場合Y電容的大小需要進行調(diào)整；調(diào)整Y電容后根據(jù)前面的LC諧振頻率再來設計共模電感！