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文章首先分析了開關(guān)電源電磁干擾問題產(chǎn)生的原因及種類，然后深入分析了EMI濾波器的設(shè)計原理，最后用實例驗證了理論的正確性。 1 引言 開關(guān)電源的特點是頻率高、效率高、功率密度高和可靠性高。然而由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，使得電磁干擾（EMI）非常嚴重。 防電磁干擾主要有三項措施，即屏蔽、濾波和接地。往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護， 唯一的措施就是加濾波器，切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完美的電磁干擾防護。 2 開關(guān)電源EMI的產(chǎn)生機理 開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明： （1）開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流時，一般會形成矩形波，該波形產(chǎn)生的短路電流流經(jīng)的導(dǎo)線及這種脈沖電流流經(jīng)的變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場都可形成噪聲源; （2）高頻變壓器。當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時，高頻變壓器產(chǎn)生關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)干擾; （3）電容、電感器和導(dǎo)線。開關(guān)電源由于工作在較高頻率，會使低頻元器件特性發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲; （4）其他原因，例如外部輸入電源的干擾，以及電源本身工作環(huán)境的影響。 3 傳導(dǎo)EMI抑制 3. 1 傳導(dǎo)EMI簡介 當(dāng)開關(guān)電源的諧波電平在高頻段（頻率范圍30MHz以上）時，表現(xiàn)為輻射干擾，而當(dāng)開關(guān)電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍0. 15～30MHz）表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾。 傳導(dǎo)干擾電流按照其流動路徑可以分為兩類：一類是差模干擾電流，另一類是共模干擾電流。 開關(guān)電源的差模干擾和共模干擾分布在不同的頻段： 在截止頻率范圍內(nèi)大致可分成3 個頻段： 在0. 5MHz（也有人認為在0. 1MHz）以下，主要是以抑制差模干擾為主;在0. 5MHz至1MHz （或0. 1MHz至1MHz）范圍內(nèi)，差模和共模干擾共存;在1MHz至30MHz范圍內(nèi)主要是以抑制共模干擾為主［ 1 ］ 。 3. 2 EMI濾波器設(shè)計理論 3. 2. 1 EMI濾波器的插入損耗 插入損耗是濾波器重要的技術(shù)性能參數(shù)之一。設(shè)計EMI濾波器時考慮的中心問題是，在保證濾波器滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，實現(xiàn)盡可能高的插入損耗。 接入濾波器前后輸出電壓之比即為插EMI濾波器阻抗分析 EMI濾波器主要用于抑制進出設(shè)備的電磁干擾，具有雙向抑制性。 由3. 2. 1小節(jié)的分析可知，要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減效果，則濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。 根據(jù)上述的原理，選用EMI濾波器結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循下列原則： （1） EMI濾波器的串聯(lián)電感要接到低阻抗源或低阻抗負載; （2） EMI濾波器的并聯(lián)電容要接到高阻抗源或高阻抗負載。 3. 2. 3 EMI濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究 開關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 差模抑制電容為CX1和CX2，共模電感為L1，共模抑制電容為CY1和CY2。 濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為： （1）利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極、電源負極高頻干擾電流導(dǎo)入地線（共模） ，或?qū)㈦娫凑龢O高頻干擾電流導(dǎo)入電源負極（差模） ; （2）利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。 3.2.4 共模電感分析 3.2.4.1 共模電感工作原理 如圖4所示，共模電感是在同一個磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，具有漏磁小、效率高等特點。當(dāng)電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產(chǎn)生的磁場恰好抵消，使得共模電感對電流不起任何阻礙作用。如果共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個繞組時，產(chǎn)生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用［ 2 ］ 。 實際使用**模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不再設(shè)置獨立的差模電感。 共模電感的漏感測量方式如圖5所示，將兩繞組其中一端連接，由另一端測量電感值，此測量到的感值即是共模電感的漏感量。 3. 2. 4. 2 共模電感材料的選擇 制作共模電感，選用何種磁芯材料，除了必須注意防止磁芯飽和問題外，還應(yīng)該考慮到磁芯的恒磁導(dǎo)特性，當(dāng)電感額定電流較大時，電感量是否減少，減少到什么程度，會不會達到飽和。 在繞制共模電感時，一般采用錳- 鋅鐵氧體、鎳- 鋅鐵氧體和微晶磁芯。 3. 2. 4. 3 共模電感值的計算 電感值的計算有三種方法，分別介紹如下： 4 設(shè)計實例 4. 1 濾波電路設(shè)計 本例采用的開關(guān)電源參數(shù)為： 輸入24V，輸出12V，功率為25W。 本濾波電路采用電源模塊前后各加一級的方式。其**模電容為0.01μF，差模電容為6800pF，共模電感采用錳- 鋅鐵氧體，每路繞31匝，電感量為3.7mH。 4. 2 濾波結(jié)果 在示波器帶寬為20MHz時，測得的濾波前后紋波分別為50mV和5mV，如圖6和圖7所示。 注：以上紋波均在80%純阻性負載下測得。 4. 3小結(jié) 由于EMI問題的復(fù)雜性和特殊性，不同型號開關(guān)電源的電磁干擾是不一樣的，采用同一種EMI濾波器也不可能對所有的開關(guān)電源取得同樣的濾波效果，因此我們非常有必要掌握EMI濾波器的設(shè)計，以取得較好的濾波效果。 5 結(jié)語 電磁兼容是一個十分復(fù)雜的問題，在應(yīng)用開關(guān)電源時，應(yīng)對電源可能的電磁干擾問題進行充分估計。本文首先對開關(guān)電源EMI的產(chǎn)生進行了闡述，然后重點分析了EMI濾波器的設(shè)計原理，尤其是對其中起很重要作用的共模電感進行了詳細的說明，最后在上述理論的指導(dǎo)下，設(shè)計了針對某一型號開關(guān)電源的EMI濾波電路，并取得了較好的效果。 |
