反激開關(guān)電源EMI

1、EMI 濾波器設(shè)計(jì)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(diǎn)，已 經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、家電產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。在開關(guān)電源應(yīng)用于交流電 網(wǎng)的場(chǎng)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(shí)，開關(guān)電源中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動(dòng)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(chǎng) 輻射干擾，傳導(dǎo)干擾還會(huì)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

2、型鋪地，避免環(huán)形 地線，盡可能減少公共阻抗；設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)通常是通過(guò)反復(fù)迭代，計(jì)算制作 以求逐步逼近設(shè)計(jì)要求。本文從 EMI 濾波原理入手，分別通過(guò)對(duì)其共模和差模噪 聲模型的分析，給出實(shí)際工作中設(shè)計(jì)濾波器的方法，并分步驟給出設(shè)計(jì)實(shí)例。1 EMI 濾波器設(shè)計(jì)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(dòng)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(hào)，其頻率范圍從開關(guān)

3、工作頻率到幾MHz。所以，傳導(dǎo)型電磁環(huán)境（EME）的測(cè) 量，正如很多國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，頻率范圍在0.1530MHz。設(shè)計(jì)EMI濾波 器，就是要對(duì)開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)，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(hào)處理領(lǐng)域普遍認(rèn)同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置 中。簡(jiǎn)言之， EMI 濾波器設(shè)計(jì)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f 有需要Hstopstop2）對(duì)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。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)

4、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Z 、電網(wǎng)等效阻抗 為Z 。濾波器指標(biāo)（f和H ）可以由一階、二階或三階低通濾波器實(shí)現(xiàn)，sinkstop stop濾波器傳遞函數(shù)的計(jì)算通常在高頻下近似，也就是說(shuō)對(duì)于n階濾波器，忽略所有 3 k相關(guān)項(xiàng)（當(dāng)kn），只取含3 n相關(guān)項(xiàng)。表1列出了幾種常見的濾波器拓?fù)浼捌鋫鬟f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(lái)的影 響。圖 1濾波器設(shè)計(jì)等效電路表 1 幾種濾波器模型及傳遞函數(shù)拓?fù)鋫鬟t萌辿丨屮31L丨 / w l 仃二F矗乩jj 1去 ink石刑一階=1 /( fol) 1 =匚1=匚%??；階1

5、丿川中| n =V-rji.r.11 r *-! 1 !OrjLL y llhji.1 i 如 1 a =-!.C皿:型:階 t-tr=p1 H 皿).n -h _._1軌三階f皿“:（士二 二藥互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(lái)源被認(rèn)為是兩電氣回路之間絕 緣泄漏電流以及電磁場(chǎng)耦合等；差模噪聲存在于交流相線（L、N）之間，產(chǎn)生來(lái)源 是脈動(dòng)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(lái)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(dāng)分別設(shè)計(jì)。顯然，

6、針對(duì)兩種不同模式的傳導(dǎo)噪聲，將其分離并分別測(cè)量出實(shí)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(duì)應(yīng)的 濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。在文獻(xiàn)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(duì)共?；虿钅Ｔ肼曋辽偎p 50dB， 因而可有效地測(cè)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(xì)內(nèi)容可見參考文獻(xiàn)6和7。以一種常用的濾波器拓?fù)鋱D2(a)為例，分別對(duì)共模、差模噪聲濾波器 等效電路進(jìn)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，C和C只用于抑制差模噪聲，理想的共模扼流電感L只

7、用于抑制共模噪聲。但是，由于實(shí)際的L繞制的不對(duì)稱，在兩組L之間存在有CC漏感 L 也可用于抑制差模噪聲。 C 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C遠(yuǎn)大于C，C對(duì)差模抑制可忽略不計(jì)。同樣，L既可抑制x2y yD共模干擾、又可抑制差模干擾，但L遠(yuǎn)小于L，因而對(duì)共模噪聲抑制作用也相DC對(duì)很小。(a)常用的濾波器拓?fù)?F20-(b)共模衰減等效電路(c)差模衰減等效電路圖 2 一種常用的濾波器拓?fù)溆杀?和圖2可以推出，對(duì)于共模等效電路，濾波器模型為一個(gè)二階LC型 低通濾波器，將等效共模電感記為 L ，等效共模電容記為 C ，則有CMCML =L + 統(tǒng) L （ 1）CM CDC=

8、2C(2)CM y對(duì)于差模等效電路，濾波器模型為一個(gè)三階CLC型低通濾波器，將等效差模 電感記為L(zhǎng)，等效差模電容記為C (令C =C且認(rèn)為C /2社）fR,CM（L社）CD6)CLC型濾波器截止頻率計(jì)算公式為f 二窗 SE)(7)R,DM將式( 3)及式( 4)代入式( 7)，則有fR,DM8）fR,DM8）在噪聲源阻抗和電網(wǎng)阻抗均確定，且相互匹配的情況下，EMI濾波器對(duì)共模 和差模噪聲的抑制作用，如圖 3所示。圖 3濾波器差模與共模衰減2 設(shè)計(jì) EMI 濾波器的實(shí)際方法2.1 設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)考慮EMI 濾波器的效果不但依賴于其自身，還與噪聲源阻抗及電網(wǎng)阻抗有關(guān)。電 網(wǎng)阻抗Z通常利用靜態(tài)阻抗補(bǔ)償

9、網(wǎng)絡(luò)(LISN)來(lái)校正，接在濾波器與電網(wǎng)之間， sink包括電感、電容和一個(gè)50Q電阻，從而保證電網(wǎng)阻抗可由已知標(biāo)準(zhǔn)求出。而EMI 源阻抗則取決于不同的變換器拓?fù)湫问?。以典型的反激式開關(guān)電源為例，如圖4 (a)所示，其全橋整流電路電流為 斷續(xù)狀態(tài)，電流電壓波形如圖5所示。對(duì)于共模噪聲，圖4(b)所示Z 可以看 source 作一個(gè)電流源I和一個(gè)高阻抗Z并聯(lián)；圖4(c)中對(duì)于差模噪聲，取決于整流橋SP二極管通斷情況，Z有兩種狀態(tài)：當(dāng)其中任意兩只二極管導(dǎo)通時(shí)，Z 等效source source為一個(gè)電壓源V與一個(gè)低值阻抗Z串連；當(dāng)二極管全部截止時(shí)，等效為一個(gè)電 SS流源 I 和一個(gè)高阻抗 Z 并聯(lián)

10、。因而噪聲源差模等效阻抗 Z 以2倍工頻頻率在上述兩種狀態(tài)切換2。source(a)典型反激式開關(guān)電源(b)共模噪聲源等效電路(c)差模噪聲源等效電路圖 4 典型反激式開關(guān)電源及其噪聲源等效電路cm .151 (JOV；:圖 5 電源輸入端電壓、電流波形在前述設(shè)計(jì)過(guò)程中， EMI 濾波器元件(電感、電容)均被看作是理想的。然 而由于實(shí)際元件存在寄生參數(shù)，比如電容的寄生電感，電感間的寄生電容，以及 PCB 板布線存在的寄生參數(shù)，實(shí)際的高頻特性往往與理想元件仿真有較大的差 異。這涉及到 EMC 高頻建模等諸多問(wèn)題，模型的參數(shù)往往較難確定，所以，本文 僅考慮EMI濾波器的低頻抑制特性，而高頻建模可參

11、看文獻(xiàn)8等。故Z及Z取SP 值與這些寄生電容、電感以及整流橋等效電容等寄生參數(shù)有關(guān)，直接采用根據(jù)電 路拓?fù)浼皡?shù)建模的方案求解源阻抗難以實(shí)現(xiàn)，因而，在設(shè)計(jì)中往往采用實(shí)際測(cè) 量 Z 。source實(shí)際設(shè)計(jì)步驟EMI 濾波器設(shè)計(jì)往往要求在實(shí)現(xiàn)抑制噪聲的同時(shí)，自身體積要盡可能小，成 本要盡可能低廉。同時(shí)，濾波效果也取決于實(shí)際的噪聲水平的高低，分析共模和 差模噪聲的干擾權(quán)重，為此，在設(shè)計(jì)前要求確定以下參量，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。1 )測(cè)量干擾源等效阻抗 Z 和電網(wǎng)等效阻抗。實(shí)際過(guò)程中往往是依靠理論 source 和經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)，先作出電源的 PCB 板，這是因?yàn)楣材?、差模的噪聲源和干擾途徑 互不相同，電路板

12、走線的微小差異都可能導(dǎo)致很大 EME 變化。2 )測(cè)量出未加濾波器前的干擾噪聲頻譜，并利用噪聲分離器將共模噪聲V 和差模噪聲 V 分離，做出相應(yīng)的干擾頻譜。MEASUREE,CM measure,CM接著就可以進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)了，仍以本文中提出的濾波器模型為例，步驟如 下。(1)依照式(9)計(jì)算濾波器所需要的共模、差模衰減，并做出曲線V-f和V f,其中V 和V 已經(jīng)測(cè)得，V 和V苛蔘CMmeasure，DMmeasure，CMmeasure，DMstandard，CMstandard，DM照傳導(dǎo) EMI 干擾國(guó)標(biāo)設(shè)定。加上 3dB 的原因在于用噪音分離器的測(cè)量值比實(shí)際值 要大 3dB。(V )

13、dB=(V) - (V) 3dBreq,CMmeasure,CMstandard,CM(V )dB=(V)- (V)3dB( 9)req,DMmeasure,DMstandard,DM( 2)由圖 3 可知，斜率分別為 40dB/dec 和 60dB/dec 的兩條斜線與頻率軸的交點(diǎn)即為f和f 。作V -f和V-f的切線，切線斜率分別為R,CMR，DMmeasure，CMmeasure，DM40dB/dec和60dB/dec,比較可知，只要測(cè)量他們與頻率軸的交點(diǎn)，即可得出fR,CM 和 f ，圖 6 所示為其示意圖。R，DM(a)實(shí)線為共模目標(biāo)衰減；虛線為斜率為40dB/dec切線(b)實(shí)線為差模目標(biāo)衰減；虛線為斜率為60dB/dec切線圖 6 f 與 f 的確定R,DM R,CM(3)濾波器元件參數(shù)設(shè)計(jì)共模參數(shù)的選取 C 接在相線和大地之間，該電容器容量過(guò)大將會(huì)造 成漏電流過(guò)大，安全性降低。對(duì)漏電流要求越小越好，安全標(biāo)準(zhǔn)通常為幾百p A 到幾 mA。EMI對(duì)地漏電流I計(jì)算公式為yI=2n fCV (10) yc式中：f為電網(wǎng)頻率。在本例中，V是電容C上的壓降，f=50Hz, C=2C，V=220/2=110V,則 TOC o 1-5 h z cyy cC=(11)y若設(shè)定對(duì)地漏電流為0.