20170503-开关电源中的emi滤波电感设计

开关电源中的开关电源中的 EMI 滤波电感设计滤波电感设计 普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士 开关电源中的功率变换器工作于高频开关方式， 其输入线上的电流含有高频分量， 这些高频 分量对接在同一供电处的其它电子设备会产生干扰， 严重时可能导致其它电子设备的正常工 作，为此国际上专门制订了相关的 EMI 标准，来限制各种电子设备对外产生的辐射与传导 噪声。其中最常用的传导 EMI 标准有 CISPR22、VDE 和 FCC，通过测试电子设备的传导 EMI 来判断其是否满足相应的 EMI 标准。图 1 是测试开关电源传导 EMI 的线路图，其中供 )(tio )(tvo EMI 滤波器 )(tvin不含 EMI 滤波器的 开关电源 供电电源负载 2R1R 1C2C 1L 2L )(1tv)(2tv 频谱分析仪 LISN 线1 线2 图 1： 测试开关电源传导 EMI 的线路图 电电源既可以是直流，也可以是交流，图中为交流。LISN 为测试 EMI 的阻抗匹配网络， uHLL5021=，uFCC1 . 021=，=5021RR，这个网络对于输入的低频分量，其1L、 2L可看作短路，1C、2C可看作开路，所以不影响输入到输出的功率传递；对于蓝色框内开 关电源所产生的高频分量，其1L、2L可看作开路，1C、2C可看作短路，因此开关电源输 入线（线 1 和线 2）上的高频电流分量将完全流过1R、2R，再将1R、2R上的电流信号用频 谱分析仪进行测试， 就可获得每一根输入线上的电流信号频谱， 这些电流信号频率也被叫作 传导 EMI 噪声频谱，1R、2R就是测试传导 EMI 的等效负载。 利用传导 EMI 的的测试线路， 可以将不加 EMI 滤波器时的开关电源， 所产生的噪声用图 2(a) 的电路等效，如果再将不加 EMI 滤波器的开关电源在高频段用一个噪声电压源和三个噪声 阻抗表示的话， 则图 2(a)的电路可以进一步用图 2(b)来等效。 由图 2(b) 可知， 产生传导 EMI 1 不含 EMI滤 波器的开关 电源之EM I 等效 2R1R )(1tv)(2tv 线1 线2 )(1ti )(2ti 2R1R )(1tv)(2tv 线1 线2 )(1ti )(2ti )(tvN 1Z 2Z cZ (a) (b) 图 2： 不加 EMI 滤波器的开关电源之 EMI 等效电路 的根源有三个，一个是 EMI 源Nv，一个是 EMI 途径1Z、2Z和cZ，再一个就是 EMI 的负 载1R和2R。等效电路中的 EMI 负载是固定的 50 欧电阻，而变化的是 EMI 源及 EMI 途径。 如何确定用不同功率变换器、不同 PCB Layout、不同结构件、不同控制方式等实现的开关 电源之传导 EMI 等效电路是分析和设计传导 EMI 滤波器的关键，同时也是指导抑制传导 EMI 的有力手段。另外如将图 2(b)中每根线上的噪声电流写成下面的形式： mcmDiiti+=)(1 mcmDiiti=)(2 则每根线上的噪声就可分别转化为共模噪声cmi与差模噪声mDi之合成， 此时的图 2(b)可画成 图 3 所示。测试时也可用特殊的噪声分离器，先测试出共模噪声和差模噪声，然后结合没有 2R1R )(1tv )(2tv 线1 线2 )(1ti)(2ti )(tvN 1Z 2Z cZ icm icm 2icm idm idm 图 3： 用共模和差模表示的 EMI 等效电路 EMI 滤波的开关电源之共模和差模 EMI 等效电路， 来分别加上合适的共模和差模 EMI 滤波 器，以达到 EMI 标准的要求。由此可知，传导 EMI 滤波器一般可以用共模滤波和差模滤波 来组成。在开关电源中用得比较多的传导 EMI 滤波器如图 4 所示，它由一个两阶差模滤波 器和一个两阶共模滤波器组成，滤波器中的差模电容一般在 0.1uF1uF 之间，而共模电容则 2 L' yC N' EG AC+ AC- yC cL cL DL DL xC 图 4： 两阶 EMI 滤波器的一般结构 需由安全要求决定，其值较小（通常为数千 pF） 。一旦滤波器中的电容确定后，剩下的元件 就是如何设计差模电感和共模电感了。假定在设计这两个电感之前，已通过测试和计算，获 得了为满足低频段 EMI 衰减要求的滤波器转折频率分别为cmf和mDf， 设计前将包含图 4 所 示 EMI 滤波器的开关电源 EMI 测试线路重新画于图 5。对图 5 可分别绘制相应的 EMI 差模 )(tio )(tvin不含 EMI 滤波器的 开关电源 供电电源负载 2R1R 1C2C 1L 2L )(1tv)(2tv 频谱分析仪 LISN 线1 线2 yC EG yC cL cL DL DL xC 图 5： 包含 EMI 滤波器的开关电源之 EMI 测试线路 等效电路和 EMI 共模等效电路，如图 6(a)和 6(b)。下面结合图 6 的 EMI 等效电路，分别给 出差模电感和共模电感的设计方法。 LISN DL DL xC 100 Ndi DNZ dmv2 LISN 2/cL yC2 25 Ncv CNZ cmv (a) 差模 EMI 等效电路 (b) 共模 EMI 等效电路 图 6：含 EMI 滤波器的开关电源之 EMI 等效电路 3 A：EMI 差模滤波电感的设计方法 第一步：根据差模滤波器的转折频率mDf和选择的差模电容，用下式决定差模电感的大小： xDm D Cf L 2 1 ) 2 1 ( 2 = 第二步：根据输入最大有效值电流，由下式选择绕组的线径： J I d Lrms 4 = (mm) 第三步： 初步选择一个铁芯大小， 其材料可选用导磁率不是很高的铁氧体， 形状可选用环形， 并计算所选铁芯可以绕制的最大匝数： 有两个绕组，单层，每个绕组可以绕制 150°到 170°，故最大可绕制的匝数为： d d N core360160 max = 匝 其中：cored为铁芯的内径。 第四步：按下式计算该铁芯不饱和可以绕制的最大匝数： 8 10×= cm LpeakD D AB IL N 匝 其中：LpeakI为电感中流过的最大电流峰值，mB为铁芯所允许的最大工作磁密。 如果maxNND， 则需另选一个大一点的铁芯进行重新设计。 NN 160° 160° 4 第五步：计算差模电感铁芯的有效导磁率： cDo mD e AN lL 2 µ µ= B：EMI 共模滤波电感的设计方法 第一步：根据共模滤波器的转折频率cmf和选择的差模电容，用下式决定差模电感的大小： ycm c Cf L 1 ) 2 1 ( 2 = 第二步：根据输入最大有效值电流，由下式选择绕组的线径： J I d Lrms 4 = (mm) 第三步：初步选择一个铁芯大小，其材料可选用导磁率非常高的 Mn-Zn 铁养体，形状可选 用环形，并计算所选铁芯可以绕制的最大匝数： 有两个绕组，单层，每个绕组可以绕制 150°到 170°，故最大可绕制的匝数为： d d N core360160 max = 匝 其中：cored为铁芯的内径。 第四步：按下式计算该电感的匝数： NN 160° 160° 5 L c c A L N1000= 匝 其中：cL单位（mH） ，LA单位（mH/1000 匝） ，可从铁芯手册中获得。 如果maxNNc， 则需另选一个大一点的铁芯进行重新设计。 比较上面 EMI 差模滤波电感和 EMI 共模滤波电感的设计方法，可以看出它们是非常类 似的，只是两种铁芯材料的选择有所不同，差模电感一般电感量较小，其最大磁密由输入电 流的峰值决定，所以它的有效导磁率不能太高，一般应选择加有均匀气隙分布的铁氧体；而 在共模电感中， 因其输入电流及差模电流在两个绕组中所产生的磁通相互抵消， 所以它的磁 饱和是有共模干扰电流的幅度决定的， 另外由于共模电容非常小， 所以共模电感一般都会非 常大，因此共模电感铁芯的选择应该是导磁率尽可能高的铁氧体材料，如 Mn-Zn 铁氧体， 以便在整个 EMI 频段（10KHz-30MHz）内都得到高阻抗。再者这两个 EMI 滤波电感的绕组 在开关纹波不大时，均可采用单根线绕制。 在低成本的开关电源中，往往不用差模电感，而直接用共模电感的漏感来作为差模电 感，此时因先按要求设计及制作好共模电感，然后通过测试，测取其漏感值)(LeakcL，并控 制漏感的大小，使其在最大输入电流峰值下不会饱和，即 2 )( )10× peakL ccm leakc I ANB L（，最后再 按 )( 2 1 ) 2 1 ( LeakcDm x Lf C =计算差模电容。 6