开关电源EMI滤波器原理与设计研究25321.docx

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1、开关电源EEMI滤波波器原理与与设计研究究摘要：在开开关电源中中，EMII滤波器对对共模和差差模传导噪噪声的抑制制起着显著著的作用。在在研究滤波波器原理的的基础上，探探讨了一种种对共模、差差模信号进进行独立分分析，分别别建模的方方法，最后后基于此提提出了一种种EMI滤滤波器的设设计程序。 关键词：开开关电源；EMI滤滤波器；共共模；差模模 0 引言 高高频开关电电源由于其其在体积、重重量、功率率密度、效效率等方面面的诸多优优点，已经经被广泛地地应用于工工业、国防防、家电产产品等各个个领域。在在开关电源源应用于交交流电网的的场合，整整流电路往往往导致输输入电流的的断续，这这除了大大大降低输入入功

2、率因数数外，还增增加了大量量高次谐波波。同时，开开关电源中中功率开关关管的高速速开关动作作（从几十十kHz到到数MHzz），形成成了EMII（eleectroomagnneticc intterfeerencce）骚扰扰源。从已已发表的开开关电源论论文可知，在在开关电源源中主要存存在的干扰扰形式是传传导干扰和和近场辐射射干扰，传传导干扰还还会注入电电网，干扰扰接入电网网的其他设设备。 减减少传导干干扰的方法法有很多，诸诸如合理铺铺设地线，采采取星型铺铺地，避免免环形地线线，尽可能能减少公共共阻抗；设设计合理的的缓冲电路路；减少电电路杂散电电容等。除除此之外，可可以利用EEMI滤波波器衰减电电网

3、与开关关电源对彼彼此的噪声声干扰。 EEMI骚扰扰通常难以以精确描述述，滤波器器的设计通通常是通过过反复迭代代，计算制制作以求逐逐步逼近设设计要求。本本文从EMMI滤波原原理入手，分分别通过对对其共模和和差模噪声声模型的分分析，给出出实际工作作中设计滤滤波器的方方法，并分分步骤给出出设计实例例。 1 EMI滤滤波器设计计原理 在在开关电源源中，主要要的EMII骚扰源是是功率半导导体器件开开关动作产产生的dvv/dt和di/dt，因而电电磁发射EEME(EElecttromaagnettic EEmisssion)通常是宽宽带的噪声声信号，其其频率范围围从开关工工作频率到到几MHzz。所以，传传

4、导型电磁磁环境（EEME）的的测量，正正如很多国国际和国家家标准所规规定，频率率范围在00.1530MHHz。设计计EMI滤滤波器，就就是要对开开关频率及及其高次谐谐波的噪声声给予足够够的衰减。基基于上述标标准，通常常情况下只只要考虑将将频率高于于150kkHz的EEME衰减减至合理范范围内即可可。 在在数字信号号处理领域域普遍认同同的低通滤滤波器概念念同样适用用于电力电电子装置中中。简言之之，EMII滤波器设设计可以理理解为要满满足以下要要求： 11）规定要要求的阻带带频率和阻阻带衰减；（满足某某一特定频频率fstopp有需要Hstopp的衰减）； 22）对电网网频率低衰衰减（满足足规定的通

5、通带频率和和通带低衰衰减）； 33）低成本本。 1.1 常用用低通滤波波器模型 EEMI滤波波器通常置置于开关电电源与电网网相连的前前端,是由由串联电抗抗器和并联联电容器组组成的低通通滤波器。如如图1所示示，噪声源源等效阻抗抗为Zsourrce、电电网等效阻阻抗为Zsinkk。滤波器器指标（ffstopp和Hstopp）可以由由一阶、二二阶或三阶阶低通滤波波器实现，滤滤波器传递递函数的计计算通常在在高频下近近似，也就就是说对于于n阶滤波器器，忽略所所有k相关项（当当kn），只取取含n相关项。表表1列出了了几种常见见的滤波器器拓扑及其其传递函数数。特别要要注意的是是要考虑输输入、输出出阻抗不匹匹

6、配给滤波波特性带来来的影响。 图1 滤波器器设计等效效电路 表1 几种滤滤波器模型型及传递函函数 1.2 EMMI滤波器器等效电路路 传传导型EMMI噪声包包含共模（CCM）噪声声和差模(DM)噪噪声两种。共共模噪声存存在于所有有交流相线线(L、NN)和共模模地(E)之间，其其产生来源源被认为是是两电气回回路之间绝绝缘泄漏电电流以及电电磁场耦合合等；差模模噪声存在在于交流相相线(L、NN)之间，产产生来源是是脉动电流流，开关器器件的振铃铃电流以及及二极管的的反向恢复复特性。这这两种模式式的传导噪噪声来源不不同，传导导途径也不不同，因而而共模滤波波器和差模模滤波器应应当分别设设计。 显显然，针对

7、对两种不同同模式的传传导噪声，将将其分离并并分别测量量出实际水水平是十分分必要的，这这将有利于于确定那种种模式的噪噪声占主要要部分，并并相应地体体现在对应应的滤波器器设计过程程中，实现现参数优化化。在文献献6和和7中中，提供了了两种用于于区分共模模和差模噪噪声的噪声声分离器，他他们能有选选择地对共共模或差模模噪声至少少衰减500dB，因因而可有效效地测量出出共模和差差模成分。分分离器的原原理和使用用超出了本本文的讨论论范围，详详细内容可可见参考文文献6和7。 以以一种常用用的滤波器器拓扑图图2(a)为例，分分别对共模模、差模噪噪声滤波器器等效电路路进行分析析。图2(b)及图图2(c)分别代表表

8、滤波器共共模衰减和和差模衰减减等效电路路。分析电电路可知，Cx1和Cx2只用于抑制差模噪声，理想的共模扼流电感LC只用于抑制共模噪声。但是，由于实际的LC绕制的不对称，在两组LC之间存在有漏感Lg也可用于抑制差模噪声。Cy即可抑制共模干扰、又可抑制差模噪声，只是由于差模抑制电容Cx2远大于Cy，Cy对差模抑制可忽略不计。同样，LD既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰，但LD远小于LC，因而对共模噪声抑制作用也相对很小。 （a）常用用的滤波器器拓扑 （b）共模模衰减等效效电路 （c）差模模衰减等效效电路 图2 一种常常用的滤波波器拓扑 由由表1和图图2可以推推出，对于于共模等效效电路，滤滤波器模型

9、型为一个二二阶LC型型低通滤波波器，将等等效共模电电感记为LLCM，等效效共模电容容记为CCM，则有有 LLCM=LCLD（1） CCCM=2Cy（2） 对对于差模等等效电路，滤滤波器模型型为一个三三阶CLCC型低通滤滤波器,将将等效差模模电感记为为LDM，等效效差模电容容记为CDM（令Cx1=Cx2且认为为Cy/2LD）（6） CCLC型滤滤波器截止止频率计算算公式为 ffR,DMM=（7） 将将式（3）及及式（4）代代入式（77），则有有 ffR,DMM=（8） 在在噪声源阻阻抗和电网网阻抗均确确定，且相相互匹配的的情况下，EEMI滤波波器对共模模和差模噪噪声的抑制制作用，如如图3所示示。

10、 图3 滤波器器差模与共共模衰减 2 设计EMMI滤波器器的实际方方法 2.1 设计计中的几点点考虑 EEMI滤波波器的效果果不但依赖赖于其自身身，还与噪噪声源阻抗抗及电网阻阻抗有关。电电网阻抗ZZsinkk通常利用用静态阻抗抗补偿网络络(LISSN)来校校正，接在在滤波器与与电网之间间，包括电电感、电容容和一个550电阻阻，从而保保证电网阻阻抗可由已已知标准求求出。而EEMI源阻阻抗则取决决于不同的的变换器拓拓扑形式。 以以典型的反反激式开关关电源为例例，如图44（a）所所示，其全全桥整流电电路电流为为断续状态态，电流电电压波形如如图5所示示。对于共共模噪声，图图4(b)所示Zsourrce

11、可以以看作一个个电流源IIS和一个高高阻抗ZP并联；图图4(c)中对于差差模噪声，取取决于整流流桥二极管管通断情况况，Zsourrce有两两种状态：当其中任任意两只二二极管导通通时，Zsourrce等效效为一个电电压源VS与一个低低值阻抗ZZS串连；当当二极管全全部截止时时，等效为为一个电流流源IS和一个高高阻抗ZP并联。因因而噪声源源差模等效效阻抗Zsourrce以22倍工频频频率在上述述两种状态态切换22。 （a）典型型反激式开开关电源 （b）共模模噪声源等等效电路（cc）差模噪噪声源等效效电路 图4 典型反反激式开关关电源及其其噪声源等等效电路 图5 电源输输入端电压压、电流波波形 在在

12、前述设计计过程中，EEMI滤波波器元件（电电感、电容容）均被看看作是理想想的。然而而由于实际际元件存在在寄生参数数，比如电电容的寄生生电感，电电感间的寄寄生电容，以以及PCBB板布线存存在的寄生生参数，实实际的高频频特性往往往与理想元元件仿真有有较大的差差异。这涉涉及到EMMC高频建建模等诸多多问题，模模型的参数数往往较难难确定，所所以，本文文仅考虑EEMI滤波波器的低频频抑制特性性，而高频频建模可参参看文献8等。故故ZS及ZP取值与这这些寄生电电容、电感感以及整流流桥等效电电容等寄生生参数有关关，直接采采用根据电电路拓扑及及参数建模模的方案求求解源阻抗抗难以实现现，因而，在在设计中往往往采用

13、实实际测量ZZsourrce。 2.2 实际际设计步骤骤 EEMI滤波波器设计往往往要求在在实现抑制制噪声的同同时，自身身体积要尽尽可能小，成成本要尽可可能低廉。同同时，滤波波效果也取取决于实际际的噪声水水平的高低低，分析共共模和差模模噪声的干干扰权重，为为此，在设设计前要求求确定以下下参量，以以实现设计计的优化。 11）测量干干扰源等效效阻抗Zsourrce和电电网等效阻阻抗。实际际过程中往往往是依靠靠理论和经经验的指导导，先作出出电源的PPCB板，这这是因为共共模、差模模的噪声源源和干扰途途径互不相相同，电路路板走线的的微小差异异都可能导导致很大EEME变化化。 22）测量出出未加滤波波器

14、前的干干扰噪声频频谱，并利利用噪声分分离器将共共模噪声VVMEASSUREEE,CM和和差模噪声声Vmeassure,CM分离离，做出相相应的干扰扰频谱。 接接着就可以以进行实际际的设计了了，仍以本本文中提出出的滤波器器模型为例例，步骤如如下。 （11）依照式式（9）计计算滤波器器所需要的的共模、差差模衰减，并并做出曲线线Vmeassure，CCMf和Vmeassure，DDMf，其中Vmeassure，CCM和Vmeassure，DDM已经测测得，Vstanndardd，CM和和Vstanndardd，DM可可参照传导导EMI干干扰国标设设定。加上上3dB的的原因在于于用噪音分分离器的测测量

15、值比实实际值要大大3dB。 (Vreq,CM)ddB=(VVmeassure,CM)(Vstanndardd,CM)3dBB (Vreq,DM)dBB=(Vmeassure,DM)(Vstanndardd,DM)3dBB（9） （22）由图33可知，斜斜率分别为为40dBB/decc和60ddB/deec的两条条斜线与频频率轴的交交点即为ffR,CMM和fR，DMM。作Vmeassure，CCMf和Vmeassure，DDMf的切线，切切线斜率分分别为400dB/ddec和660dB/dec，比比较可知，只只要测量他他们与频率率轴的交点点，即可得得出fR,CMM和fR，DMM，图6所所示为其示

16、示意图。 （a）实线线为共模目目标衰减；虚线为斜斜率为400dB/ddec切线线 （b）实线线为差模目目标衰减；虚线为斜斜率为600dB/ddec切线线 图6 fR,DMM与fR,CMM的确定 （33）滤波器器元件参数数设计 共模参参数的选取取 Cy接在相线线和大地之之间，该电电容器容量量过大将会会造成漏电电流过大，安安全性降低低。对漏电电流要求越越小越好，安安全标准通通常为几百百A到几几mA。 EEMI对地地漏电流IIy计算公式式为 IIy=2fCCVc（10） 式中：f为为电网频率率。 在在本例中，Vc是电容Cy上的压降，f=50Hz，C=2Cy，Vc=220/2=110V，则 CCy=（

17、11） 若设定对地地漏电流为为0.155mA，可可求得Cy22000pF。将将Cy代入步骤骤（2）中中求得fR,CMM值，再将将fR,CMM代入式（66）中可得得 LLc=（12） 差模参参数选取 由由式（8）可可知，Cx1，Cx2，以及及LD的选取没没有唯一解解，允许设设计者有一一定的自由由度。 由由图2可知知，共模电电感Lc的漏感Lg也可抑制制差模噪声声，有时为为了简化滤滤波器，也也可以省去去LD。经验表表明，漏感感Lg量值多为为Lc量值的00.52。LLg可实测获获得。此时时，相应地地Cx1、Ccx2值要要更大。 3 结语 本本文的论述述是基于低低通滤波器器的低频模模型分析。由由于实际元

18、元件寄生参参数的影响响，尤其在在高频段更更加显著，因因而往往需需要在第一一次确定参参数之后反反复修正参参数，以及及使用低EESR和ESL的电电容，优化化绕制磁芯芯的材料和和工艺，逐逐步逼近要要求的技术术指标。 由由于只涉及及到单级滤滤波器的设设计，如LLC型滤波波器衰减程程度只有440dB/dec，当当要求衰减减程度在660800dB以上上的指标时时，往往需需要使用多多级滤波器器。 通通用型的EEMI滤波波器通常很很难设计，这这是由于不不同的功率率变换器之之间，由于于拓扑、选选用元件、PPCB布版版等原因，电电磁环境水水平相差很很大，再加加上阻抗匹匹配的问题题，在很大大程度上影影响了滤波波器的通用用性，所以以，滤波器器的设计往往往需要有有针对性，并并在实际调调试中逐步步修正。 作者简介 魏魏应冬，男男，硕士研研究生，现现从事电力力电子拓扑扑及电磁兼兼容相关研研究。 吴吴燮华，女女，教授，硕硕士生导师师，现从事事电力电子子系统集成成及智能控控制等方面面研究。