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文章首先分析了開關電源電磁干擾問題產生的原因及種類，然后深入分析了EMI濾波器的設計原理，最后用實例驗證了理論的正確性。 1 引言 開關電源的特點是頻率高、效率高、功率密度高和可靠性高。然而由于其開關器件工作在高頻通斷狀態，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，與屏蔽共同構成完美的電磁干擾防護。 2 開關電源EMI的產生機理 開關電源產生的干擾，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，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現在按噪聲干擾源來分別說明： （1）開關管。當開關管流過大的脈沖電流時，一般會形成矩形波，該波形產生的短路電流流經的導線及這種脈沖電流流經的變壓器和電感產生的電磁場都可形成噪聲源; （2）高頻變壓器。當原來導通的開關管關斷時，高頻變壓器產生關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾; （3）電容、電感器和導線。開關電源由于工作在較高頻率，會使低頻元器件特性發生變化，由此產生噪聲; （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境的影響。 3 傳導EMI抑制 3. 1 傳導EMI簡介 當開關電源的諧波電平在高頻段（頻率范圍30MHz以上）時，表現為輻射干擾，而當開關電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍0. 15～30MHz）表現為傳導干擾。 傳導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，差模和共模干擾共存;在1MHz至30MHz范圍內主要是以抑制共模干擾為主［ 1 ］ 。 3. 2 EMI濾波器設計理論 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性能參數之一。設計EMI濾波器時考慮的中心問題是，在保證濾波器滿足有關標準要求的前提下，實現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備的電磁干擾，具有雙向抑制性。 由3. 2. 1小節的分析可知，要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減效果，則濾波器阻抗應與電源阻抗失配，失配越厲害，實現的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。 根據上述的原理，選用EMI濾波器結構應遵循下列原則： （1） EMI濾波器的串聯電感要接到低阻抗源或低阻抗負載; （2） EMI濾波器的并聯電容要接到高阻抗源或高阻抗負載。 3. 2. 3 EMI濾波器的網絡結構研究 開關電源EMI濾波器的基本網絡結構如圖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入地線（共模） ，或將電源正極高頻干擾電流導入電源負極（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上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環形磁芯，具有漏磁小、效率高等特點。當電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，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，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現出較大的感抗，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，還應該考慮到磁芯的恒磁導特性，當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 設計實例 4. 1 濾波電路設計 本例采用的開關電源參數為： 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 由于EMI問題的復雜性和特殊性，不同型號開關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濾波器的設計，以取得較好的濾波效果。 5 結語 電磁兼容是一個十分復雜的問題，在應用開關電源時，應對電源可能的電磁干擾問題進行充分估計。本文首先對開關電源EMI的產生進行了闡述，然后重點分析了EMI濾波器的設計原理，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下，設計了針對某一型號開關電源的EMI濾波電路，并取得了較好的效果。 |
