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一次电源输入EMI电路设计

输入EMI滤波器电路设计规范
摘要： 本文介绍了一种单相输入EMI电源滤波器电路，该电路一般作为中小功率电源的输入部分电路，以满足电源的EMC要求。
关键词：EMI, 插入损耗
缩略词解释
EMC：Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性
EMI： Electromagnetic Interference， 电磁干扰

1.适用范围
该单元电路参数只要做适当调试、更改，便可用于绝大部分中小功率电源。

2.满足的技术指标（特征指标）
电源的规格为：
输入：AC 120V~290V
输出：48V/50A
输出功率：2900W

3. 详细电路图

图1 单元电路原理图

4. 工作原理简介
电源滤波器是一种由无源元件构成的低通滤波网络 。 它毫无衰减地将50Hz, 400Hz 的交流电源功率传输到设备上，却大大衰减通过电源线传输的EMI信号，保护设备免受其害。同时，它又能抑制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他的设备。电源EMI滤波器是电子设备满足有关电磁兼容标准的行之有效的器件。
组成电源EMI滤波器的核心元件为：共模电感，差模电感，X和Y电容。其中共模电感和Y电容共同构成LC两阶低通滤波器，主要用来抑制共模噪声，绕制时除了尽量减小杂散电容外，还应适当控制不平衡电感（一般为1％左右〕，虽然不平衡电感有抑制差模噪音的作用，但不平衡电感太大，容易导致共模电感出现磁芯饱和现象。对差模噪音的抑制和滤除，是由差模电感和X电容来完成的。所要说明的是，EMI滤波器主要是从噪声传播途径方面入手解决EMI问题，所有的EMI电路只能一定程度的降低电磁干扰的对整机性能的影响，对具体的开关电源来说，还应配合噪声源头的工作，比如降低开关量的尖峰，采用合理吸收或软开关技术等来降低电源噪声的发射值，本文对此方面不作详细论述。

5.设计、调试要点
1、首先测试未安装EMI滤波器时的传导干扰，并与标准限值相比较，列出(150K~30MHz内)各个频段EMI滤波器所应具有的插入损耗
LISN的L、N线传导干扰测试输出端分别有差模噪声及共模噪声的成分，分别为 ， ，如果对它们施加加减运算，则可直接得到共模干扰 ，及差模干扰 。为实现上述目的，分别使用0°功率合成器及180°功率合成器。
2、根据未加EMI滤波器时测试的传导干扰与标准限值的差值， 以 及 我 们 产 品 的现有的空间和成本的的要求，确定EMI滤波器的级数，结构，元件参数等等,以满足不同频段对EMI滤波器插入损耗的要求。
【1】 根据产品的达到电磁兼容的要求的严酷程度，结合现有的未加EMI滤波器时的干扰的测试结果，确定级数：
一般的要求达到B级标准的，滤波器的级数一般要求两级或两级以上，如果合理利用共模电感的杂散电感，可以只选用两级共模电感配合相应的Y电容和X电容来实现，如果因为没有其他的原因或条件限制 ，可以考虑选用两级共模和一级差模电感配合相应的X和Y电容来实现，设计和调测起来比较简单。
新50A模块因为要求体积小，功率密度高，所以给输入EMI滤波器留有的体积十分的有限 ，所以项目组投入大量的人力物力，进行EMC方面的研究和开发。利用两级共模实现B级要求。
〖2〗 根据电路的参数，确定电源滤波器的结构：
电源滤波器的结构，在很大程度上对滤波器的效果起决定性的因素，为了达到最好的抑制效果，我们要求滤波器的所有的端口的阻抗与相应的设备或功能电路的等效输入阻抗严重失配。如下的连接在EMI滤波器的设计中被认为是正确的连接：

图2 －1

图2－2

图2－3
图2－1中表示滤波器的输出表示为容抗，负载表现为阻抗；
图2－2中表示滤波器的输出表示为容抗，负载表现为感抗；
图2－3中表示滤波器的输出表示为感抗，负载表现为容抗。
值得注意的是，我们可以用设备互换的原则等效出滤波器的输入阻抗的选用原则。
因为新50A的模块的主电路的结构，从交流输入端看过去，差模和共模应该等效为容抗，所以我们的滤波器的最后一级选用了图2－3的结构，滤波器的等效输出应该为感抗。
实际的电网环境，一般设备的交流引线都比较长，并且所有的交流进入设备前没有X电容，在绝大多数的情况下，对于差模可以将电网认为是一个感抗输出的设备，我们的滤波器就在它的下一级，根据失配原则图2－3，滤波器的输入等效应该为容性。 对于我们的共模成分，因为经过我们的Listener，再进入我们的设备，从我们分析LISTENER的结构来讲，输出表现为容性，所以我们EMI滤波器的共模输入表现为感性。
〖3〗参数设计及X、Y电容的选型
〔1〕如上图，输入滤波器采用二级共模电感。为抑制开关电源发射EMI的共模段，使其在B级规定的范围内， 我们选用我们的共模的截至频率为 Fo=50kHz共模干扰有最好的抑制作用。为什么选择50KHz的截至频率，可以通过如下的方法获得：
通过共模CM值和标准对应的限值的差值，定位一个坐标（ 150K，CM－56〕，在F－dB对数坐标系上过此点作一个80dB的直线，和X轴的交点，即是我们的截至频率。
2〕关于共模电感磁性材料的选择也必须谨慎，一般我们要求共模有比较大的值，比较好的高频特性，损耗也比较小，整合各种考虑，一般我们选择高值的铁氧体。我们在选材时往往发现，的大小和高频特性刚好是有矛盾的，所以我们选材时要视电源模块的传导干扰的特性而论，如果低频段比较大，并且很难抑制，那么最好选用值高一点的铁氧体，如果中高频段比较大，并且不易抑制，建议选用值比较低的铁氧体。
从HD4850的传导干扰的特性 ，我们选用7K的磁性。
〔3〕为了有效地抑制传导干扰，特别是低频段，电感量越大越有效果，当电感磁性材料确定以后，就只能依靠匝数的多少来确定。因为共模（或差模〕匝间存在分布电容，容易将高频干扰信号通过匝间电容直接越过我们的EMI滤波器，所以我们在绕织时要注意：
最好只绕一层，以免层间分布电容太大而将高频段短路；
最好输入与输出抽头相隔不能太近，否则容易通过分布电容将高频噪声直接从输入端耦合到输出端，减少EMI滤波器的作用。
如果选用差模电感，一定要注意选择不易饱和的材料，一般选择铁粉芯。
〔4〕在确定好频率，确定好共模磁性材料、匝数后，我们可以根据以下的公式选用Y电容的大小：

选取Y电容C329=C334=4700p
我们的两极差模LC的截至频率分别25KHz和16KHz，两极差模电感约为共模电感的1％，即20uH×2＝40uH，计算的方法可以通过与类似共模LC的截至频率相同的算法，不过，此时的曲线是由两条40dB的曲线累加的结果。
X电容的大小根据共模的杂散电感和实际的差模的干扰的大小确定，新50A确定为
选定第一级X电容C328=1uF，第二级X电容C331＝1uF、C429＝1uF、C402＝474。为X2安规电容。
泄放电阻R334、R400的选取原则是使X电容在输入掉电后2秒内其电压跌至安全电压范围内。并考虑功耗，这里选取300K/0.25W的电阻两个串联。
Cx、Cy的两种下标不仅说明了它们在滤波网络中的作用，还表明了它们的安全等级。是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全，在设计，选用Cx、Cy电容时，要十分认真地考虑X和Y电容的安全性能，因为它直接关系到整机的安全性能，必须选用通过有关安规认证机构认证的电容器。
表1 .X电容的分类和应用特性
小类
使用时的峰值脉冲电压kV
绝缘类型
IEC 664
应用
耐久性试验前施加的峰值脉冲电压kV
X1
>2.5

III
高脉冲应用

X2

II
一般用途

X3

一般用途

表2 Y电容的分类和应用
小类
跨接绝缘类型
额定电压
V
耐久性试验前施加的峰值脉冲电压
kV
Y1
双重绝缘或增强绝缘

Y2
基本绝缘或辅助绝缘

Y3
基本绝缘或辅助绝缘

Y4
基本绝缘

Y电容的电容量必须受到限制，从而达到控制在额定频率电压作用下，流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能的影响。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。
3 插入损耗的测试
EMI滤波器结构形式确定后必须用网络阻抗特性测试仪测试其幅频特性。因为由于电感分布电容，Cx、Cy的ESL，以及电路分布参数的影响，其高频段的幅频特性不是一条-40dB/DEC的直线，必须通过测试，不断调整元器件参数及滤波器结构，以获得满意的差模、共模插入损耗特性曲线。
如测试设备允许，可在通以额定电流条件下测试EMI滤波器的插入损耗，因为电感在通以电流时，感量会变化，与小信号状态测试会有一些差别。
需要特别说明的是，我们的插损的测试的条件是输入与输出的等效阻抗都为50欧姆的情况下。我们一般看到的市场上销售的滤波器的插损也是在50欧姆输出输入时的参考值，因为我们电源的实际的等效阻抗可能并不是50欧姆，所以我们的插损的测量结果只能作为参考。但是总的变化趋势是一致的。
4、EMI滤波器的优化
将EMI滤波器安装在整流模块外部，测试在额定负载(满载)及半载条件下的传导干扰。这样做的目的是在优化EMI滤波器的各元器件参数时不受接地、机内辐射等条件的影响，容易排除其它因素，得到最优EMI滤波器。在用网络分析仪测试EMI滤波器时已得出EMI滤波器各元件对各频段的插入损耗的影响结果，可根据该结果以及传导干扰的测试结果来优化EMI滤波器。
5、将EMI滤波器放入机内测试传导干扰
如果EMI滤波器带有屏蔽外壳，并且外壳接地良好，而且其输入端远离输出端，电源输入端口屏蔽良好且靠近外壳，传导干扰的测试结果是比较理想的。但基于成本、结构、散热等方面的考虑，有时达不到理想的条件，那么最好尽量遵循以上原则。