EMI濾波器設計原理

高頻開(kāi)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)被廣泛地應用于工業(yè)、國防、家電產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。在開(kāi)關(guān)電源應用于交流電網(wǎng)的場(chǎng)合，整流電路往往導致輸入電流的斷續，這除了大大降低輸入功率因數外，還增加了大量高次諧波。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源中功率開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作（從幾十kHz到數MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）騷擾源。從已發(fā)表的開(kāi)關(guān)電源論文可知，在開(kāi)關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導干擾和近場(chǎng)輻射干擾，傳導干擾還會(huì )注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設備。

減少傳導干擾的方法有很多，諸如合理鋪設地線(xiàn)，采取星型鋪地，避免環(huán)形地線(xiàn)，盡可能減少公共阻抗；設計合理的緩沖電路；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(kāi)關(guān)電源對彼此的噪聲干擾。

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

1 EMI濾波器設計原理

在開(kāi)關(guān)電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導體器件開(kāi)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，其頻率范圍從開(kāi)關(guān)工作頻率到幾MHz。所以，傳導型電磁環(huán)境（EME）的測量，正如很多國際和國家標準所規定，頻率范圍在0.15～30MHz。設計EMI濾波器，就是要對開(kāi)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衰減至合理范圍內即可。

在數字信號處理領(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(jiǎn)言之，EMI濾波器設計可以理解為要滿(mǎn)足以下要求：

1）規定要求的阻帶頻率和阻帶衰減；（滿(mǎn)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(mǎn)足規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(kāi)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(shí)現，濾波器傳遞函數的計算通常在高頻下近似，也就是說(shuō)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(jiàn)的濾波器拓撲及其傳遞函數。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 濾波器設計等效電路

表1 幾種濾波器模型及傳遞函數

1.2 EMI濾波器等效電路

傳導型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(xiàn)(L、N)和共模地(E)之間，其產(chǎn)生來(lái)源被認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(xiàn)(L、N)之間，產(chǎn)生來(lái)源是脈動(dòng)電流，開(kāi)關(guān)器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復特性。這兩種模式的傳導噪聲來(lái)源不同，傳導途徑也不同，因而共模濾波器和差模濾波器應當分別設計。

顯然，針對兩種不同模式的傳導噪聲，將其分離并分別測量出實(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，并相應地體現在對應的濾波器設計過(guò)程中，實(shí)現參數優(yōu)化。在文獻[6]和[7]中，提供了兩種用于區分共模和差模噪聲的噪聲分離器，他們能有選擇地對共?；虿钅Ｔ肼曋辽偎p50dB，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，詳細內容可見(jiàn)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(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，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(shí)際的LC繞制的不對稱(chēng)，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。