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开关电源EMI滤波器原理和设计研究

摘要：在开关电源中，EMI滤波器对共模和差模传导噪声抑制起着显著作用。在研究滤波器原理基础上，探讨了一个对共模、差模信号进行独立分析，分别建模方法，最终基于此提出了一个EMI滤波器设计程序。
关键词：开关电源；EMI滤波器；共模；差模
0    引言
    高频开关电源因为其在体积、重量、功率密度、效率等方面很多优点，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网场所，整流电路往往造成输入电流断续，这除了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管高速开关动作（从几十kHz到数MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）骚扰源。从已发表开关电源论文可知，在开关电源中关键存在干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网其它设备。
    降低传导干扰方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地，避免环形地线，尽可能降低公共阻抗；设计合理缓冲电路；降低电路杂散电容等。除此之外，能够利用EMI滤波器衰减电网和开关电源对相互噪声干扰。
    EMI骚扰通常难以正确描述，滤波器设计通常是经过反复迭代，计算制作以求逐步迫近设计要求。本文从EMI滤波原理入手，分别经过对其共模和差模噪声模型分析，给出实际工作中设计滤波器方法，并分步骤给出设计实例。
1    EMI滤波器设计原理
    在开关电源中，关键EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生dv/dt和di/dt，所以电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以，传导型电磁环境（EME）测量，正如很多国际和国家标准所要求，频率范围在0.15～30MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率及其高次谐波噪声给足够衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频率高于150kHzEME衰减至合理范围内即可。
    在数字信号处理领域普遍认同低通滤波器概念一样适适用于电力电子装置中。简言之，EMI滤波器设计能够了解为要满足以下要求：
    1）要求要求阻带频率和阻带衰减；（满足某一特定频率fstop有需要Hstop衰减）；
    2）对电网频率低衰减（满足要求通带频率和通带低衰减）；
    3）低成本。
1.1    常见低通滤波器模型
    EMI滤波器通常置于开关电源和电网相连前端,是由串联电抗器和并联电容器组成低通滤波器。图1所表示，噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标（fstop和Hstop）能够由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现，滤波器传输函数计算通常在高频下近似，也就是说对于n阶滤波器，忽略全部ωk相关项（当k也不一样，所以共模滤波器和差模滤波器应该分别设计。
    显然，针对两种不一样模式传导噪声，将其分离并分别测量出实际水平是十分必需，这将有利于确定那种模式噪声占关键部分，并对应地表现在对应滤波器设计过程中，实现参数优化。在文件[6]和[7]中，提供了两种用于区分共模和差模噪声噪声分离器，她们能有选择地对共模或差模噪声最少衰减50dB，所以可有效地测量出共模和差模成份。分离器原理和使用超出了本文讨论范围，具体内容可见参考文件[6]和[7]。
    以一个常见滤波器拓扑〔图2(a)〕为例，分别对共模、差模噪声滤波器等效电路进行分析。图2(b)及图2(c)分别代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。分析电路可知，Cx1和Cx2只用于抑制差模噪声，理想共模扼流电感LC只用于抑制共模噪声。不过，因为实际LC绕制不对称，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，只是因为差模抑制电容Cx2远大于Cy，Cy对差模抑制可忽略不计。一样，LD既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰，但LD远小于LC，所以对共模噪声抑制作用也相对很小。

（a）常见滤波器拓扑

（b）共模衰减等效电路

（c）差模衰减等效电路
图2    一个常见滤波器拓扑
    由表1和图2能够推出，对于共模等效电路，滤波器模型为一个二阶LC型低通滤波器将等效共模电感记为LCM，等效共模电容记为CCM，则有
    LCM=LC＋LD（1）
    CCM=2Cy（2）
    对于差模等效电路，滤波器模型为一个三阶CLC型低通滤波器,将等效差模电感记为LDM，等效差模电容记为CDM（令Cx1=Cx2且认为Cy/2<>LD）（6）
    CLC型滤波器截止频率计算公式为
    fR,DM=（7）
    将式（3）及式（4）代入式（7），则有
    fR,DM=（8）
    在噪声源阻抗和电网阻抗均确定，且相互匹配情况下，EMI滤波器对共模和差模噪声抑制作用，图3所表示。

图3    滤波器差模和共模衰减
2    设计EMI滤波器实际方法
2.1    设计中几点考虑
    EMI滤波器效果不仅依靠于其本身，还和噪声源阻抗及电网阻抗相关。电网阻抗Zsink通常利用静态阻抗赔偿网络(LISN)来校正，接在滤波器和电网之间，包含电感、电容和一个50Ω电阻，从而确保电网阻抗可由已知标准求出。而EMI源阻抗则取决于不一样变换器拓扑形式。
    以经典反激式开关电源为例，图4（a）所表示，其全桥整流电路电流为断续状态，电流电压波形图5所表示。对于共模噪声，图4(b)所表示Zsource能够看作一个电流源IS和一个高阻抗ZP并联；图4(c)中对于差模噪声，取决于整流桥二极管通断情况，Zsource有两种状态：当其中任意两只二极管导通时，Zsource等效为一个电压源VS和一个低值阻抗ZS串连；当二极管全部截止时，等效为一个电流源IS和一个高阻抗ZP并联。所以噪声源差模等效阻抗Zsource以2倍工频频率在上述两种状态切换[2]。

（a）经典反激式开关电源

（b）共模噪声源等效电路（c）差模噪声源等效电路
图4    经典反激式开关电源及其噪声源等效电路

图5    电源输入端电压、电流波形
    在前述设计过程中，EMI滤波器元件（电感、电容）均被看作是理想。然而因为实际元件存在寄生参数，比如电容寄生电感，电感间寄生电容，和PCB板布线存在寄生参数，实际高频特征往往和理想元件仿真有较大差异。这包含到EMC高频建模等很多问题，模型参数往往较难确定，所以，本文仅考虑EMI滤波器低频抑制特征，而高频建模可参看文件[8]等。故ZS及ZP取值和这些寄生电容、电感和整流桥等效电容等寄生参数相关，直接采取依据电路拓扑及参数建模方案求解源阻抗难以实现，所以，在设计中往往采取实际测量Zsource。
2.2    实际设计步骤
    EMI滤波器设计往往要求在实现抑制噪声同时，本身体积要尽可能小，成本要尽可能低廉。同时，滤波效果也取决于实际噪声水平高低，分析共模和差模噪声干扰权重，为此，在设计前要求确定以下参量，以实现设计优化。
    1）测量干扰源等效阻抗Zsource和电网等效阻抗。实际过程中往往是依靠理论和经验指导，先作出电源PCB板，这是因为共模、差模噪声源和干扰路径互不相同，电路板走线微小差异全部可能造成很大EME改变。
    2）测量出未加滤波器前干扰噪声频谱，并利用噪声分离器将共模噪声VMEASUREE,CM和差模噪声Vmeasure,CM分离，做出对应干扰频谱。
    接着就能够进行实际设计了，仍以本文中提出滤波器模型为例，步骤以下。
    （1）依据式（9）计算滤波器所需要共模、差模衰减，并做出曲线Vmeasure，CM－f和Vmeasure，DM－f，其中Vmeasure，CM和Vmeasure，DM已经测得，Vstandard，CM和Vstandard，DM可参考传导EMI干扰国家标准设定。加上3dB原因在于用噪音分离器测量值比实际值要大3dB。
    (Vreq,CM)dB=(Vmeasure,CM)－(Vstandard,CM)＋3dB
    (Vreq,DM)dB=(Vmeasure,DM)－(Vstandard,DM)＋3dB（9）
    （2）由图3可知，斜率分别为40dB/dec和60dB/dec两条斜线和频率轴交点即为fR,CM和fR，DM。作Vmeasure，CM－f和Vmeasure，DM－f切线，切线斜率分别为40dB/dec和60dB/dec，比较可知，只要测量她们和频率轴交点，即可得出fR,CM和fR，DM，图6所表示为其示意图。

（a）实线为共模目标衰减；虚线为斜率为40dB/dec切线

（b）实线为差模目标衰减；虚线为斜率为60dB/dec切线
图6    fR,DM和fR,CM确实定
    （3）滤波器元件参数设计
    ——共模参数选择    Cy接在相线和大地之间，该电容器容量过大将会造成漏电流过大，安全性降低。对漏电流要求越小越好，安全标准通常为几百μA到几mA。
    EMI对地漏电流Iy计算公式为
    Iy=2πfCVc（10）
式中：f为电网频率。
    在本例中，Vc是电容Cy上压降，f=50Hz，C=2Cy，Vc=220/2=110V，则
    Cy=（11）
若设定对地漏电流为0.15mA，可求得Cy≈2200pF。将Cy代入步骤（2）中求得fR,CM值，再将fR,CM代入式（6）中可得
    Lc=（12）
    ——差模参数选择    由式（8）可知，Cx1，Cx2，和LD选择没有唯一解，许可设计者有一定自由度。
    由图2可知，共模电感Lc漏感Lg也可抑制差模噪声，有时为了简化滤波器，也能够省去LD。经验表明，漏感Lg量值多为Lc量值0.5％～2％。Lg可实测取得。此时，对应地Cx1、Ccx2值要更大。
3    结语
    本文叙述是基于低通滤波器低频模型分析。因为实际元件寄生参数影响，尤其在高频段愈加显著，所以往往需要在第一次确定参数以后反复修正参数，和使用低ESR和ESL电容，优化绕制磁芯材料和工艺，逐步迫近要求技术指标。
    因为只包含到单级滤波器设计，如LC型滤波器衰减程度只有40dB/dec，当要求衰减程度在60～80dB以上指标时，往往需要使用多级滤波器。
    通用型EMI滤波器通常极难设计，这是因为不一样功率变换器之间，因为拓扑、选择元件、PCB布版等原因，电磁环境水平相差很大，再加上阻抗匹配问题，在很大程度上影响了滤波器通用性，所以，滤波器设计往往需要有针对性，并在实际调试中逐步修正。

作者介绍
    魏应冬，男，硕士硕士，现从事电力电子拓扑及电磁兼容相关研究。
    吴燮华，女，教授，硕士生导师，现从事电力电子系统集成及智能控制等方面研究。