開關(guān)電源濾波器設(shè)計(jì)說(shuō)明書

/開關(guān)電源濾波器設(shè)計(jì)〔一一、前言

傳導(dǎo)EMI是由電源、信號(hào)線傳導(dǎo)的噪聲,連接在同一電網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備所產(chǎn)生的EMI會(huì)經(jīng)過(guò)電源線相互干擾,為了對(duì)傳到EMI進(jìn)行抑制,通常在設(shè)備宇電源之間加裝濾波器,本文主要探討開關(guān)電源的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法。

二、開關(guān)電源的傳到EMI來(lái)源與組成

開關(guān)電源的噪聲包含有共模和差模兩個(gè)分量,此兩分量分別是由共模電流和差模電流所造成的。圖一所示為共模電流和差模電流的關(guān)系圖,其中LISN為電源傳輸阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),是傳導(dǎo)性EMI量測(cè)的重要工具。在三線式的電力系統(tǒng)中,由電源所取得的電流依其流向可分為共模電流和差模噪聲電流。其中,共模噪聲電流ICM指的是Line、Neutral兩線相對(duì)于接地線<Ground>之噪聲電流分量,而差模噪聲電流IDM指的是直接流經(jīng)Line和Neutral兩線之間而不流經(jīng)過(guò)地線之噪聲電流分量。開關(guān)電源圖一共模電流和差模電流之關(guān)系圖

在Line上,共模噪聲電流和差模噪聲電流分量是以向量和的關(guān)系結(jié)合,而在Neutral上,共模噪聲電流和差模噪聲電流分量則是以向量差的關(guān)系結(jié)合,兩者的關(guān)系以數(shù)學(xué)式表示如下：其中,為流經(jīng)Line之總噪聲電流,為流經(jīng)Neutral之總噪聲電流。

為了有效抑制噪聲,我們必須針對(duì)噪聲源的產(chǎn)生及其耦合路徑進(jìn)行分析。共模噪聲主要是由電路上之PowerMOSFET<Cq>、快速二極體<Cd>及高頻變壓器<Ct>上之寄生電容和雜散電容所造成的,如圖二所示。而差模噪聲則由電源電路初級(jí)端的非連續(xù)電流及輸入端濾波大電容<CB>上的寄生電阻及電感所造成,如圖三所示。圖二共模電流耦合路徑圖三差模電流耦合路徑開關(guān)電源濾波器設(shè)計(jì)〔二三、EMI濾波器的基本架構(gòu)

本文所使用的EMI濾波器的架構(gòu)如圖四所示,其中的元件包含了共模電感<LC>、差模電感<LD>、X電容<CX1、CX2>、Y電容<CY>,以下將對(duì)各元件作一一介紹：圖四EMI濾波器的架構(gòu)1共模電感<CMinductor>：

共模電感是將兩組線圈依圖五的繞線方式繞在一個(gè)鐵心上,這種鐵心一般是

采用高值的Ferritecore,由于值較高,故電感值較高,典型值是數(shù)mH到數(shù)十mH之間。圖五上的繞線方式會(huì)使差模電流相互抵消,故對(duì)差模而言不具有電感的效果,也不易使鐵心飽和。反之對(duì)共模電流而言,其所產(chǎn)生的磁通會(huì)加倍,所以具有電感的效果。一般而言,耦合電感均有漏電感,因此,繞組對(duì)差模電流所產(chǎn)生的磁通無(wú)法完全抵消,這對(duì)差模噪聲的衰減將會(huì)有所效用。另一方面對(duì)共模電流而言,因?yàn)榇磐o(wú)法完全加倍,這將使得共模電感值降低。

共模電感的漏感量測(cè)方式如圖六所示,將兩繞組其中一端連接,由另一端量圖五共模電感圖六共模電感的漏感測(cè)量法測(cè)電感值,此量測(cè)到的感值即是共模電感的漏感量,可表示成2<LC-M>,其中M表示兩繞組之間的互感。

在濾波器中共模電感的兩個(gè)繞組是并聯(lián)的,以圖七為例,理想上,上下兩線圈所產(chǎn)生的磁通量是圖八的兩倍,由于電感的定義是L=φ/I?,其中?是磁通鏈<Fluxlinkage>,I是線圈電流,故上下兩線圈的各別感值是圖八的兩倍,不過(guò)兩者又是并聯(lián),并聯(lián)后的感值將和圖七相同,故等效的共模電感是LC而不是LC/2。圖七測(cè)量共模電感的兩線圈圖八測(cè)量共模電感的一個(gè)線圈2.差模電感<DMinductor>：

差模電感必須流過(guò)交流電源電流,一般是采用?值較低的鐵粉心<Ironpowdercore>,由于?值較低所以感值較低,典型值是數(shù)十uH到數(shù)百uH之間。

3.X電容：

X電容是裝在L、N之間,一般是選用高容值的金屬膜電容,容值由0.1uF到1uF。

4.uY電容：

Y電容是裝在L-G、N-G之間的電容,通常以成對(duì)、相等的容值對(duì)稱的出現(xiàn)在濾波器上,其大小必須要符合安規(guī)的限制。開關(guān)電源濾波器設(shè)計(jì)〔三

四、EMI濾波器之CM、DM等效電路推導(dǎo)及衰減度的評(píng)估

在本文推導(dǎo)等效電路的過(guò)程當(dāng)中,我們把CM電感的漏電感部分,全部并入DM電感LD當(dāng)中。其CM和DM等效電路的繪制方法如下：

1.CM的等效電路:

欲求圖四EMI濾波器之CM等效模型,其步驟如下：

a.將所有的X電容消去,如圖九所示。干擾源圖九EMI濾波器的CM等效模型之一b.以接地點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)將電路對(duì)折,其等效CM電感量等于尚未對(duì)折電路之電感量,而DM電感由于并聯(lián)的關(guān)系,其等效電感量為原本的一半,而Y電容的等效電容并聯(lián)成尚未對(duì)折電路的兩倍,LISN提供的二個(gè)50Ω負(fù)載并聯(lián)成25Ω的等效負(fù)載,如圖十所示。干擾源圖十EMI濾波器的CM等效模型之二2.DM等效電路：

欲求圖四之EMI濾波器DM等效模型推導(dǎo)步驟如下：

a.拿下所有的接地點(diǎn),簡(jiǎn)化串聯(lián)的Y電容,如圖十一。

b.將CM電感取掉,再將DM電感放到一邊,使其為原來(lái)的二倍,如圖十二。接著我們決定：干擾源圖十一EMI濾波器的DM等效模型之一干擾源圖十二EMI濾波器的DM等效模型之二1.CM部份的衰減度

圖十中的CM噪聲若為開關(guān)電源,則可以將其等效成一個(gè)電流源,如圖十三所示。一般而言,我們習(xí)慣以電壓變數(shù)來(lái)觀察電路的特性,因此我們運(yùn)用電路理論中的"互易定理"<Reciprocitytheorem>將其轉(zhuǎn)換成如圖十四所示的電路。由圖十四很容易可以看出它是一個(gè)二階的LC濾波器,其衰減度是以40dB/dec的斜率增加的,如圖十五所示,其轉(zhuǎn)折頻率為：所以當(dāng)噪聲分離器量到CM噪聲后,便可以決定元件值來(lái)計(jì)算衰減度以壓抑噪聲。圖十三CM的等效電路圖十四互易定理后之CM等效電路2.DM部份的衰減度

圖十三中的DM噪聲若為開關(guān)電源,則其等效模型將如圖十六所示。其中開關(guān)的切換頻率是二倍的市電頻率,所以圖十二可更詳細(xì)的表示成圖十七。圖十六開關(guān)電源DM噪聲等效模型圖十七開關(guān)電源裝嚴(yán)濾波器之DM噪聲等效模型考慮圖十七之差模等效電路,依開關(guān)的狀態(tài)分成開關(guān)ON和OFF兩種型態(tài)

進(jìn)行討論：

1.開關(guān)OFF時(shí)：圖十七可以化簡(jiǎn)成圖十八之等效電路,我們可以運(yùn)用電路理論中的"互易定理"將圖十八化簡(jiǎn)成圖十九之等效電路,圖十八的電流衰減度等于圖十九中的反向電壓衰減度。由于1/ωCX2遠(yuǎn)小于ZP<ZP通常大于10kW>,故ZP可以拿掉,其中100ΩW和CX1對(duì)衰減噪聲也有作用,可是為了方便起見將它省略掉。開關(guān)OFF時(shí)的DM等效電路如圖二十所示,由于此種作法是將原本衰減度60dB/dec的地方以40dB/dec來(lái)低估,所以嚴(yán)定的元件值會(huì)稍大,而其他方面并無(wú)影響。圖十八圖十七之簡(jiǎn)化圖圖十九圖十八之簡(jiǎn)化圖圖二十開關(guān)OFF時(shí)DM等效電路之簡(jiǎn)化圖2.開關(guān)ON時(shí)：圖十七可以化簡(jiǎn)成圖二十一之等效電路,由于1/ωCX1極小于100W,可將100W電阻省略而化簡(jiǎn)成圖二十二之等效電路。由于SZ很小<SZ<1W>,故將它省略,而1XC對(duì)衰減噪聲也有作用,然而為了方便起見將它省略掉,如圖二十三所示。由圖3-28可知它是一個(gè)二階的LC低通濾波器,具有40dB/dec的衰減能力,結(jié)果和圖二十相同,最后假設(shè)1XC=2XC=DMC,則不論開關(guān)為ON或OFF的狀態(tài),其轉(zhuǎn)折頻率均為：其中：且具有40dB/dec的衰減能力。圖二十一圖十七之簡(jiǎn)化圖圖二十二圖二十一之簡(jiǎn)化圖圖二十三開關(guān)ON時(shí)DM等效電路之簡(jiǎn)化圖開關(guān)電源濾波器設(shè)計(jì)〔四五、EMI濾波器的設(shè)計(jì)步驟

EMI濾波器之設(shè)計(jì),首先必須獲得濾波器所需提供的噪聲衰減量,此可利用各種噪聲分離器分別量測(cè)出待測(cè)物在未加任何濾波器元件下之共模和差模原始噪聲。接著利用上述所得結(jié)果,計(jì)算出所需的濾波器元件值,然后將整個(gè)設(shè)計(jì)好的濾波器加在待測(cè)物電源輸入的最前端,并量測(cè)檢查此時(shí)的噪聲是否符合規(guī)范。以下就濾波器設(shè)計(jì)之步驟一一詳細(xì)作介紹。

1.量測(cè)原始共模和差模噪聲：

NoiseseparatorSpectrumanalyzer如圖二十四所示為傳導(dǎo)性EMI噪聲量測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu),噪聲由電源傳輸阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)<LISN>取出以后,經(jīng)過(guò)噪聲分離器<Noiseseparator>可得到想要的噪聲值,便可以頻譜分析儀<Spectrumanalyzer>來(lái)進(jìn)行量測(cè)。2.計(jì)算衰減量

根據(jù)下列式子計(jì)算共模濾波器所需提供的噪聲衰減量<VATT,CM>dB及差模濾波器所需提供的噪聲衰減量。其中是指規(guī)范值,加上6dB的主要目的是考慮當(dāng)共模噪聲和差模噪聲被衰減至規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)時(shí),有可能發(fā)生相位相同或相位相差180o而使得火線和中性線之總電壓噪聲大小超過(guò)規(guī)范的情況。為了避免這種情形發(fā)生,在計(jì)算衰減量時(shí)可先將標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)定于比規(guī)范限制小6dB之處,亦即使噪聲抑制之要求更為嚴(yán)格,以避免濾波后噪聲大小仍會(huì)超過(guò)規(guī)范限制。3.計(jì)算轉(zhuǎn)折頻率<Cornerfrequency>

將從步驟2所得的共模和差模衰減量與,依其對(duì)應(yīng)于頻率的關(guān)系分別畫在半對(duì)數(shù)紙上,橫軸單位為Hz縱軸單位為dBuV,如圖二十五所示。以共模噪聲為例,在對(duì)數(shù)圖中作一條斜率為+40dB/dec之斜線,將此斜線由規(guī)范之最低頻率平行往右移動(dòng),使其與CM衰減曲線相切于一點(diǎn),而且CM衰減曲線完全位于此斜線的下方。此時(shí)該斜線會(huì)與橫軸相交于一點(diǎn),此交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)之頻率即為共模低通濾波器之轉(zhuǎn)折頻率。同理可求得差模低通濾波器之轉(zhuǎn)折頻率。圖254.計(jì)算濾波器元件值

濾波器元件之電感、電容值越大,則其對(duì)噪聲之衰減能力越強(qiáng),且可達(dá)到之

轉(zhuǎn)折頻率越低,對(duì)低頻噪聲之抑制效果越佳,但相對(duì)地必須付出成本、體積增加的代價(jià)。由材料特性可知,當(dāng)電感、電容之值越大時(shí),元件阻抗特性的自共振頻率越低,可持續(xù)衰減噪聲之頻率范圍相對(duì)變窄,因此其值不可無(wú)限制增大?？紤]電容值對(duì)體積的變化率較電感值來(lái)得小,而且市售之電容器都有固定之容值,較缺乏彈性,所以在決定共模和差模濾波器的元件值時(shí),我們將優(yōu)先考慮電容,在安規(guī)限制許可下,盡量選用較大的容值。本文所采用的EMI濾波器架構(gòu)如圖四所示,其中X電容可濾除DM噪聲,而Y電容可濾除CM噪聲。

a.共模濾波器元件<共模電感<LC>、Y電容<CY>>

由于Y電容是跨接于電力線的兩線和地線之間,基于漏電流的限制,Y電容不能選用太大,以能合乎安規(guī)之最大值為主。選取CY之值后,利用步驟3所計(jì)算得到的共模轉(zhuǎn)折頻率fR,CM,可計(jì)算出所需共模電感之值如下：b.差模濾波器元件〔差模電感<LD>、X電容<CX1、CX2>

Cx1和Cx2采用相同的元件值CDM,而此值可由fc,DM與LD求得：其中,可由步驟3求得,但和為未知數(shù),因此對(duì)于元件值的決定,設(shè)計(jì)者有相當(dāng)大的彈性空間可自行決定。若值取的越大,則可取越小之值,反之亦然。但濾波器元件值的選用必須考量濾波器對(duì)電路本身所造成的影響,例如穩(wěn)定性和工作性能等因素。

六、實(shí)驗(yàn)實(shí)例

以一部市售250W半橋式電源〔規(guī)格如表1為例,設(shè)計(jì)一個(gè)EMI濾波器,使其符合VDEClassB的規(guī)范,圖二十六所示為利用差模反射網(wǎng)絡(luò)〔Differentialmoderejectionnetwork,DMRN作為噪聲分離器的噪聲量測(cè)系統(tǒng)所量測(cè)到未經(jīng)濾波的CM噪聲頻譜,圖二十七為DM噪聲頻譜,依據(jù)前