EMI濾波器設(shè)計原理

高頻開關(guān)電源由于其在體積、重量、功率密度、效率等方面的諸多優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、家電產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。在開關(guān)電源應(yīng)用于交流電網(wǎng)的場合，整流電路往往導(dǎo)致輸入電流的斷續(xù)，這除了大大降低輸入功率因數(shù)外，還增加了大量高次諧波。同時，開關(guān)電源中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作（從幾十kHz到數(shù)MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）騷擾源。從已發(fā)表的開關(guān)電源論文可知，在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾，傳導(dǎo)干擾還會注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備。

減少傳導(dǎo)干擾的方法有很多，諸如合理鋪設(shè)地線，采取星型鋪地，避免環(huán)形地線，盡可能減少公共阻抗；設(shè)計合理的緩沖電路；減少電路雜散電容等。除此之外，可以利用EMI濾波器衰減電網(wǎng)與開關(guān)電源對彼此的噪聲干擾。

EMI騷擾通常難以精確描述，濾波器的設(shè)計通常是通過反復(fù)迭代，計算制作以求逐步逼近設(shè)計要求。本文從EMI濾波原理入手，分別通過對其共模和差模噪聲模型的分析，給出實際工作中設(shè)計濾波器的方法，并分步驟給出設(shè)計實例。

1 EMI濾波器設(shè)計原理

在開關(guān)電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導(dǎo)體器件開關(guān)動作產(chǎn)生的dv/dt和di/dt，因而電磁發(fā)射EME(Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號，其頻率范圍從開關(guān)工作頻率到幾MHz。所以，傳導(dǎo)型電磁環(huán)境（EME）的測量，正如很多國際和國家標準所規(guī)定，頻率范圍在0.15～30MHz。設(shè)計EMI濾波器，就是要對開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減?；谏鲜鰳藴?，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的EME衰減至合理范圍內(nèi)即可。

在數(shù)字信號處理領(lǐng)域普遍認同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。簡言之，EMI濾波器設(shè)計可以理解為要滿足以下要求：

1）規(guī)定要求的阻帶頻率和阻帶衰減；（滿足某一特定頻率fstop有需要Hstop的衰減）；

2）對電網(wǎng)頻率低衰減（滿足規(guī)定的通帶頻率和通帶低衰減）；

3）低成本。

1.1 常用低通濾波器模型

EMI濾波器通常置于開關(guān)電源與電網(wǎng)相連的前端,是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波器。如圖1所示，噪聲源等效阻抗為Zsource、電網(wǎng)等效阻抗為Zsink。濾波器指標（fstop和Hstop）可以由一階、二階或三階低通濾波器實現(xiàn)，濾波器傳遞函數(shù)的計算通常在高頻下近似，也就是說對于n階濾波器，忽略所有ωk相關(guān)項（當kn），只取含ωn相關(guān)項。表1列出了幾種常見的濾波器拓撲及其傳遞函數(shù)。特別要注意的是要考慮輸入、輸出阻抗不匹配給濾波特性帶來的影響。

圖1 濾波器設(shè)計等效電路

表1 幾種濾波器模型及傳遞函數(shù)

1.2 EMI濾波器等效電路

傳導(dǎo)型EMI噪聲包含共模（CM）噪聲和差模(DM)噪聲兩種。共模噪聲存在于所有交流相線(L、N)和共模地(E)之間，其產(chǎn)生來源被認為是兩電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場耦合等；差模噪聲存在于交流相線(L、N)之間，產(chǎn)生來源是脈動電流，開關(guān)器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)特性。這兩種模式的傳導(dǎo)噪聲來源不同，傳導(dǎo)途徑也不同，因而共模濾波器和差模濾波器應(yīng)當分別設(shè)計。

顯然，針對兩種不同模式的傳導(dǎo)噪聲，將其分離并分別測量出實際水平是十分必要的，這將有利于確定那種模式的噪聲占主要部分，并相應(yīng)地體現(xiàn)在對應(yīng)的濾波器設(shè)計過程中，實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。在文獻[6]和[7]中，提供了兩種用于區(qū)分共模和差模噪聲的噪聲分離器，他們能有選擇地對共模或差模噪聲至少衰減50dB，因而可有效地測量出共模和差模成分。分離器的原理和使用超出了本文的討論范圍，詳細內(nèi)容可見參考文獻[6]和[7]。

以一種常用的濾波器拓撲〔圖2(a)〕為例，分別對共模、差模噪聲濾波器等效電路進行分析。圖2(b)及圖2(c)分別代表濾波器共模衰減和差模衰減等效電路。分析電路可知，Cx1和Cx2只用于抑制差模噪聲，理想的共模扼流電感LC只用于抑制共模噪聲。但是，由于實際的LC繞制的不對稱，在兩組LC之間存在有漏感Lg也可用于抑制差模噪聲。Cy即可抑制共模干擾、又可抑制差模噪聲，只是由于差模抑制電容Cx2遠大于Cy，Cy對差模抑制可忽略不計。同樣，LD既可抑制共模干擾、又可抑制差模干擾，但LD遠小于LC，因而對共模噪聲抑制作用也相對很小。