開關電源輸入EMI濾波器的設計與仿真

摘要：開關電源中常用EMI濾波器抑制共模干擾和差模干擾。三端電容器在抑制開關電源高頻干擾方面有良好性能。文中在開關電源一般性能EMI濾波器電路結構基礎上，給出了使用三端電容器抑制高頻噪聲的濾波器結構。并使用PSpice軟件對插入損耗進行仿真，給出了仿真結果。

關鍵詞：開關電源；EMI濾波器；三端電容器；插入損耗

1 開關電源特點及噪聲產(chǎn)生原因

隨著電子技術的高速發(fā)展，電子設備種類日益增多，而任何電子設備都離不開穩(wěn)定可靠的電源，因此對電源的要求也越來越高。開關電源以其高效率、低發(fā)熱量、穩(wěn)定性好、體積小、重量輕、利于環(huán)境保護等優(yōu)點，近年來取得快速發(fā)展，應用領域不斷擴大。開關電源工作在高頻開關狀態(tài)，本身就會對供電設備產(chǎn)生干擾，危害其正常工作；而外部干擾同樣會影響其正常工作。開關電源干擾主要來源于工頻電流的整流波形和開關操作波形。這些波形的電流泄漏到輸入部位就成為傳導噪聲和輻射噪聲，泄漏到輸出部位就形成了波紋問題?？紤]到電磁兼容性的有關要求，應采用EMI電源濾波器來抑制開關電源上的干擾。文中主要研究的是開關電源輸入端的EMI濾波器。

2 EMI濾波器的結構

開關電源輸入端采用的EMI濾波器是一種雙向濾波器，是由電容和電感構成的低通濾波器，既能抑制從交流電源線上引入的外部電磁干擾，還可以避免本身設備向外部發(fā)出噪聲干擾。開關電源的干擾分為差模干擾和共模干擾，在線路中的傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾是火線與零線之間產(chǎn)生的干擾，共模干擾是火線或零線與地線之間產(chǎn)生的干擾。抑制差模干擾信號和共模干擾信號普遍有效的方法就是在開關電源輸入電路中加裝電磁干擾濾波器。EMI濾波器的電路結構包括共模扼流圈(共模電感)L，差模電容Cx和共模電容Cy。共模扼流圈是在一個磁環(huán)(閉磁路)的上下兩個半環(huán)上，分別繞制相同匝數(shù)但繞向相反的線圈。兩個線圈的磁通方向一致，共模干擾出現(xiàn)時，總電感迅速增大產(chǎn)生很大的感抗，從而可以抑制共模干擾，而對差模干擾不起作用。為了更好地抑制共模噪聲，共模扼流圈應選用磁導率高，高頻性能好的磁芯。共模扼流圈的電感值與額定電流有關。差模電容Cx通常選用金屬膜電容，取值范圍一般在0．1～1μF。Cy用于抑制較高頻率的共模干擾信號，取值范圍一般為2200～6800 pF。常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于接地，共模電容Cy上會產(chǎn)生漏電流Ii-d。因為漏電流會對人體安全造成傷害，所以漏電流應盡量小，通常1．0 mA。共模電容取值與漏電流大小有關，所以不宜過大，取值范圍一般為2200～4700 pF。R為Cx的泄放電阻。電源濾波器的性能很大程度上取決于其端阻抗，根據(jù)信號傳輸理論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與負載端的端接應遵循阻抗極大不匹配原則。因此，濾波器設計時應遵循：(1)源內(nèi)阻是高阻(低阻)的，濾波器輸入阻抗就應該是低阻(高阻)；(2)負載是高阻(低阻)的，則濾波器輸出阻抗就應該是低阻(高阻)。對EMI信號來說，電感是高阻，電容是低阻，則有圖1中的4種濾波器選用類型。

電源濾波器一般用來抑制30 MHz以下頻率范圍的噪音，但對30 MHz以上的輻射發(fā)射干擾也有一定的抑制作用。根據(jù)開關電源共模、差模干擾的特點?？梢园锤蓴_的分布大概劃分為3個頻段：O．15～0．5 MHz差模干擾為主；0．5～5 MHz差模、共模干擾共存；5～30 MHz共模干擾為主。

3 插入損耗

插入損耗是評價濾波器性能的主要指標，它是頻率的函數(shù)。插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比，用dB表示。插入損耗越大，說明濾波器抑制干擾的能力越強。濾波器接入前后的電路圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。濾波器的插入損耗由式(1)表示。