共模、差模电源线滤波器设计.docx

切断电磁干扰传输途径——共模、差模电源线滤波器设计电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源 EMI滤波器基本电路如图 6所示一个合理有效的开关电源 EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用在图 6中 CX1和 CX2叫做差模电容，L1 叫做共模电感，CY1 和 CY2叫做共模电容差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用共模电感 L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用L1的电感量与 EMI滤波器的额定电流 I有关，具体关系参见表 1所列表 1 电感量范围与额定电流的关系[4]额定电流 I/A 电感量 L/mH1 8～233 2～46 0.4～0.810 0.2～0.312 0.1～0.1515 0.0～0.08实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。

所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感了共模电感的差值电感与电容 CX1及 CX2构成了一个∏型滤波器这种滤波器对差模干扰有较好的衰减除了共模电感以外，图 6中的电容 CY1及 CY2也是用来滤除共模干扰的共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容 CY1及 CY2起作用电容 CY的选择要根据实际情况来定，由于电容 CY接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性计算电容 CY漏电流的公式是ID=2πfCYVcY式中：ID 为漏电流；f为电网频率一般装设在可移动设备上的滤波器，其交流漏电流应<1mA；若为装设在固定位置且接地的设备上的电源滤波器，其交流漏电流应<3.5mA，医疗器材规定的漏电流更小由于考虑到漏电流的安全规范，电容 CY的大小受到了限制，一般为 2.2～33nF电容类型一般为瓷片电容，使用中应注意在高频工作时电容器 CY与引线电感的谐振效应差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路（如图 6中电容 CX1），只要电容选择适当，就能对高频干扰起到抑制作用该电容对高频干扰阻抗甚底，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。

该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击即可为了避免放电电流引起的冲击危害，CX 电容容量不宜过大，一般在 0.01～0.1μF 之间电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容图 6 开关电源 EMI滤波器[3]比如：只用电容，假设电源内阻 10 欧，共模信号为 1MV，电容对共模信号阻抗 10 欧，那么电容上的分压（也就是到后面电路的信号）为 0.5mV；而你加上共模电感，假设对共模信号阻抗为 80 欧姆，那么电容上的分压就为 0.1mV，这样共模干扰不就小乐嘛况且 共模电感对共模信号的阻抗不止这么大假设共模信号频率为 10MHZ, 共模电感上的阻抗为 ZL=2*3.14*10M*L ，设 L 为 40UH，ZL=2.5K ，你自己算算后面电容的电压反激式功率因数校正电路的电磁兼容设计通过反激式功率因数校正电路说明了单级功率因数校正电路中的电磁兼容问题，分析了单级功率因数校正电路中骚扰的产生机理，给出了电磁兼容的设计，最后提出了其他几种减少电磁干扰的方法关键词：电磁干扰；电磁兼容；功率因数校正 0 引言电磁兼容（EMC）是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI电路，而使得这些装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁而与此同时，大功率家电及办公自动化设备的增多，以及移动通信、无线寻呼的广泛应用等，又大大增加了电磁骚扰源这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术问题加以关注特别是欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规，强制执行 89/336/EEC指令，即规定从 1996年 1月 1日起电气和电子产品都必须符合 EMC要求，并加贴 CE标志后才能在欧共体市场上销售以来，促使了各国政府从国际贸易的角度，高度重视电磁兼容技术开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点，且市场上已有开关电源集成控制模块，这使电源设计、调试简化了许多，所以，在大多数的电子设备（如计算机、电视机及各种控制系统）中得到了广泛的应用然而，开关电源自身产生的各种噪声却使其成了一个很强的电磁骚扰源这些骚扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁因此，只有提高开关电源的电磁兼容性，才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合被采用电磁兼容包括两个方面的含义1）电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备乃至相邻几个系统，在它们自己所产生的电磁环境及在他们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。

换句话说，它们应具有一定的电磁敏感度，以保证它们对电磁干扰具有一定的抗扰度(Immunity of a Disturbance)2）该设备或系统自己产生的电磁噪声(Electromagnetic Noise－EMN)必须被限制在一定的电平，使由它所造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行 众所周知，构成电磁干扰有三个要素，即：骚扰源（噪声）、噪声的耦合途径及噪声接收器（被干扰设备）因此，概括电磁兼容设计的任务就是要削弱骚扰源的能量，隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力下面就以反激式（Flyback）电路为例，讨论小功率单级 PFC电路的电磁兼容性设计1 骚扰源的分析如图 1所示，在小功率 DC／DC 变换器中，主要的骚扰源是电磁感应噪声和非线性开关过程噪声这都是由于功率变换电路中的整流二级管和功率开关管在工作过程中所产生的电压和电流的跃变，并通过高频变压器、储能电感线圈以及电路中的元件布局和器件本身自带的寄生参数之间相互作用而造成的图 1 反激式功率因数校正电路图换句话说，电路中产生的所有干扰问题的根源，就是功率开关管和高频整流二极管在快速的开断过程中所产生的 di/dt和 dv/dt。

所以，在电路设计的初期，即进行电路方案的选择时就应着手考虑 EMC问题在各方面条件成熟和允许的情况下，对于主开关管的设计应采用软开关电路（例如中功率电路当中广为采用的移相全桥电路等），这样不但可以极大地减小开关管的开关损耗，而且有助于降低电路中的 di/dt而在开关频率的选择上也不是越高越好，而是应当选取合适的频率还有，由开关管和高频二极管以及输出电容构成的回路应尽量地小，因为回路小寄生电感就小了在开关管和高频二极管开通和关断的瞬间会产生很大的 di/dt，如果寄生电感大了就会感应出很高的电压，这样就形成了一个大的骚扰源另外，高频二极管在关断的时候会出现反向恢复的情况，这也是一个很大的骚扰源我们必须注意削弱它，以免影响电路的正常工作，为此可以给高频二极管串一个小的电感，抑制高频二极管的反向恢复电流但是这个电感不能大，因为在高频下 di/dt很大，也会引入一个骚扰，因此必须折中另一个产生电磁感应噪声的主要骚扰源是脉冲变压器在反激式电路中，由于原副边绕组耦合系数不为 1，变压器存在着一定的漏感 Ls当开关关断时，Ls 所产生的反电势－Lsdi/dt 会使开关管的漏源极之间的电压出现上冲这是因为 Ls上的能量——漏磁通不能通过变压器耦合到副边进行释放，因此，这部分能量同开关管的寄生电容 Cs和输入电源 Vin共同构成一个衰减的 LC谐振，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。

这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，除了造成干扰外，重者有可能击穿开关管而且它还是一种传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会使干扰传导返回配电系统，造成输入侧电网的电磁干扰，从而影响其它用电设备的安全和经济运行和开关管一样，电路当中的脉冲变压器也存在高频率的 di/dt变化，也会向空间辐射高频的电磁波，干扰其他的元器件和设备为此也应当想法将变压器这些高频电磁波屏蔽掉对于电磁场而言，电场分量和磁场分量总是同时存在的所以，在屏蔽电磁场时，必须对电场与磁场同时加以屏蔽高频电磁屏蔽的机理主要是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸收的机理电磁波达到屏蔽体表面时，之所以会产生波反射，其主要原因是电磁波的波阻抗与金属屏蔽体的特征阻抗不相等，两者数值相差越大，反射引起的损耗就越大反射波还和频率有关，频率越低，反射越严重而电磁波在穿透屏蔽体时产生的吸收损耗则主要是由电磁波在屏蔽体中的感生涡流引起的感生的涡流可以产生一个反磁场抵消原干扰磁场，同时，涡流在屏蔽体内流动产生热损耗2 电磁兼容的设计电磁兼容性设计包括电路选择、元器件的选择、滤波、屏蔽、接地、布局等2.1 软开关技术选择零电压开关、零电流开关谐振技术或其他软开关技术。

在零电压谐振变换器中，功率开关上的电压波形为准正弦，dv/dt 小；在零电流准谐振变换中，流过功率开关的电流为准正弦，di/dt 小，这样就可以减小 EMI电平因为，干扰频谱窄，且集中在谐振频率附近，易于滤波器的设计要特别注意降低功率开关的 di/dt与 dv/dt和减小整流二极管噪声的缓冲电路的设计2.2 滤波滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付传导干扰方面，具有明显的效果欲削弱传导干扰，把 EMI电平控制在有关 EMC标准规定的极限电平以下除抑制骚扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装 EMI滤波器在滤波电路中，选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能够改善电路的滤波特性EMI 滤波器如图 2所示图 2 输入 EMC滤波器原理图这种 EMI滤波器既能抑制共模干扰又能抑制差模干扰它是开关电源 EMI滤波器的基本网络结构，其中 L1和 L2是绕在同一磁环上两只独立线圈，匝数相同，有相同方向的同名端，称之为共模电感线圈或者共模线圈L3 与 L4是独立的差模抑制电感，C1、C2 和 C3是电容器如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接上被干扰设备，那么 L1和 C1，L2 和 C2就分别构成了两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模 EMI信号，使之衰减，并被控制到很低的电平上。

L3 及 L4形成的独立差模抑制电感和电容 C3组成了一个低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模 EMI信号适当的设计或选择合适的滤波器，并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要组成部分，具体措施如下1）在交流电输入端加装电源滤波器，其电路图如图 2所示其中 L3，L4 和 C3用于抑制差模噪声，L1，L2，C1 和 C2用于抑制共模噪声所有的电源滤波器都必须接地，因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用一般的接地方法除了将滤波器与金属外壳相接之外，还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连，接地阻抗越小滤波效果越好另外，滤波器应尽量安装在靠近电源入口处，避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端 2）在电源输出端加输出滤波器加装高频电容，加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，可以抑制差模噪声如果把多个电容并联，效果将会更好在使用滤器器的时候,我们还必须注意以下几点1）滤波器必须有良好的屏蔽，屏蔽体与电源良好搭接2）输入滤波器应装在输入端口处，输出滤波器应装在输出端口处，并远离内部电磁发。