利用濾波器抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾

摘要：分析了開(kāi)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(kāi)關(guān)電源電磁干擾電磁兼容性濾波器

1引言

開(kāi)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(diǎn)，廣泛用于計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備、通信、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域。但開(kāi)關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾（EMI）。EMI信號(hào)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(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開(kāi)關(guān)電源本身就會(huì)變成一個(gè)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(kāi)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(jì)者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。

2開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理

開(kāi)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(guò)程是產(chǎn)生EMI最常見(jiàn)的原因。這是因?yàn)檎也娫赐ㄟ^(guò)整流器后變成單向脈動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，諧波（特別是高次諧波）會(huì)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(guò)電源線產(chǎn)生射頻干擾。

變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開(kāi)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(kāi)關(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲(chǔ)能電感在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級(jí)出現(xiàn)很大的涌流，將造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開(kāi)關(guān)管。

（2）由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾當(dāng)原來(lái)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢(shì)

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(jí)，還會(huì)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(yùn)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(shí)，有一個(gè)反向電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)的二級(jí)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(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。

對(duì)上述開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源EMI信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號(hào)，均可用差模和共模信號(hào)來(lái)表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對(duì)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(duì)稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過(guò)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(hào)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(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號(hào)，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(jiǎn)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(kāi)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(wú)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(dú)立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈（LCM），L3、L4是獨(dú)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(duì)獨(dú)立端口間的低通濾波器，用來(lái)抑制電源線上存在的共模EMI信號(hào)，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(kāi)關(guān)電源的共模噪聲等效電路，并聯(lián)電容Cp包括開(kāi)關(guān)管集電極和地之間的分布電容及高頻變壓器初次級(jí)間的分布電容；Rp是電流源的并聯(lián)電阻。開(kāi)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(gè)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(huì)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(duì)均勻，兩個(gè)線圈的繞制也不可能完全對(duì)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(dú)立差模抑制電感與Cx電容器又組成L—N獨(dú)立端口間的一只低通濾波器，用來(lái)抑制電源線上存在的差模EMI信號(hào)。

差模干擾信號(hào)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(kāi)關(guān)S表示橋式整流二極管導(dǎo)通與否，因此高低兩個(gè)等效電路是不能同時(shí)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(hào)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(dú)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(gè)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(wú)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(hào)傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的EMI信號(hào)，起到同時(shí)衰減兩組共模EMI信號(hào)和一組差模EMI信號(hào)的作用。

3?2EMI濾波器選用與安裝

開(kāi)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(shuō)明了它們?cè)跒V波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明了它們?cè)跒V波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級(jí)。無(wú)論是選用還是設(shè)計(jì)EMI濾波器，都要認(rèn)真地考慮CX和CY的安全等級(jí)。在實(shí)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(kāi)關(guān)電源EMI差模信號(hào)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(huì)迭加L和N之間存在的EMI信號(hào)峰值電壓，因此要根據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場(chǎng)合和可能存在的EMI信號(hào)峰值，正確選用適合安全等級(jí)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(duì)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(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號(hào)的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗來(lái)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(shí)，即圖5中Zs≠Zin、ZL≠Zout時(shí)，EMI信號(hào)會(huì)在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對(duì)EMI信號(hào)的衰減。其信號(hào)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(jì)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(hào)衰減最大。

4結(jié)語(yǔ)

在使用開(kāi)關(guān)電源濾波器時(shí)，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時(shí)，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(hào)很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將會(huì)大大降低濾波器的抑制效果。