利用濾波器抑制開關電源的電磁干擾
摘要：分析了開關電源產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構和選用方法。
1、引言
開關電源與線性穩壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等特點，廣泛用于計算機及外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。但開關電源的突出缺點是產生較強的電磁干擾（EMI）。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電磁環境，對通信設備和電子產品造成干擾。如果處理不當，開關電源本身就會變成一個干擾源。隨著電子產品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關電源的EMI，提高電子產品的質量，使之符合有關EMC標準或規范，已成為電子產品設計者越來越關注的問題。
2、開關電源產生EMI的原理
開關電源產生EMI的原因較多，其中由基本整流器產生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉換電路產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生EMI*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。實驗結果表明，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變，另一方面通過電源線產生射頻干擾。
變壓器型功率轉換電路用以實現變壓、變頻以及完成輸出電壓調整，是開關穩壓電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它產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。產生這種脈沖干擾的主要原因是：
（1）開關功率晶體管感性負載是高頻變壓器或儲能電感在開關管導通的瞬間，變壓器初級出現很大的涌流，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管。
（2）由高頻變壓器產生的干擾當原來導通的開關管關斷時，變壓器的漏感所產生的反電勢
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，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，形成傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導向配電系統，影響其它用電設備的**和經濟運行。
（3）由輸出整流二極管產生的干擾在輸出整流二極管截止時，有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中能將反向電流迅速恢復到零點的二級管稱為硬恢復特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數的影響下，將產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。
對上述開關電源產生的EMI所采取的抑制措施，主要有正確選擇半導體器件、變壓器鐵芯材料和在開關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開關電源EMI濾波器網絡結構
圖2共模濾波網絡結構
3、抑制開關電源EMI的濾波措施
濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關電源EMI信號的傳導干擾和輻射干擾。任何電源線上傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾；共模干擾在導線與地（機殼）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、所造成的干擾較小；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導干擾，把EMI信號控制在有關EMC標準規定的極限電平以下，*有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開關電源的工作頻率約為10kHz～100kHz。EMC很多標準規定的傳導干擾電平的極限值都是從10kHz算起。對開關電源產生的高頻段EMI信號，只要選擇適當的去耦電路或網絡結構較為簡單的EMI濾波器，就可得到滿意的效果。
3.1 EMI濾波器的結構及工作原理
圖1為開關電源EMI濾波器的基本網絡結構。
該濾波器是由集中參數元件構成的無源低通網絡，其中L1和L2是繞在同一磁環上的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，負載端接**擾設備，那么L1和Cy，L2和Cy就分別構成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。
共模濾波網絡結構等效電路如圖2所示，它由LCM和Cy組成。圖中右邊是開關電源的共模噪聲等效電路，并聯電容Cp包括開關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是電流源的并聯電阻。開關電源共模噪聲等效電路的源內阻ZSMPS是高阻抗容性的。
圖1中，L1、L2兩個線圈所繞匝數相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線圈內電流產生的磁通在磁環內相互抵消，不會使磁環達到磁飽和狀態，從而使兩只線圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環的材料不可能做到**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S表示橋式整流二極管導通與否，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，數值都很小。為與共模情況區別，Rp和Cp分別用Rp′和Cp′表示。
差模EMI信號濾波網絡結構等效電路如圖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是濾波網絡選用的并聯電容。圖4（b)與圖4(a)相比，增加了一個CLL2，其數值的選擇使濾波網絡與負載構成失配狀態。
由于圖1電路是無源網絡，它具有互易性。當它安裝在系統中后，既能有效地抑制電子設備外部的EMI信號傳入設備，又能大大衰減設備本身工作時產生的傳向電網的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。
3.2 EMI濾波器選用與安裝
開關電源EMI濾波器中的4只電容器用了2種不同的下標“X”和“Y”，不僅說明了它們在濾波網絡中的作用，還表明了它們在濾波網絡中的**等級。無論是選用還是設計EMI濾波器，都要認真地考慮CX和CY的**等級。在實際應用中，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開關電源EMI差模信號等效電路
圖4差模濾波網絡結構
(a)濾波網絡帶CLL
(b)濾波網絡帶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EMI濾波器的應用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合**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械性能方面具有足夠的**余量，以避免可能出現的擊穿短路現象。
EMI濾波器是具有互易性的，即把負載接在電源端還是負載端均可。在實際應用中，為達到有效抑制EMI信號的目的，必須根據濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負載阻抗來選擇該濾波器的網絡結構和參數。當EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態時，即圖5中Zs≠Zin、ZL≠Zout時，EMI信號會在其輸入和輸出端產生反射，增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關系為：
A=－10lg(1－|Γ|2)
電磁兼容設計的目的是在網絡結構符合*大失配的原則下，盡可能合理選擇元件參數，使EMI信號衰減*大。
4、結語
在使用開關電源濾波器時，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線與輸出導線的間隔距離，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。
