開關電源電磁干擾濾波器

開關電源電磁干擾濾波器是無源網絡，它具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網中與電源之間，相當于這二者的 EMI 噪聲之間加上一個阻斷屏障，這樣一個簡單的無源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用，從而在各種電子設備中獲得廣泛的應用。

開關電源由于功耗小效率高，體積小，重量輕，穩(wěn)壓范圍廣，電路形式靈活等特點，廣泛地應用于計算機、通信等各類電子設備。但是隨著開關電源的小型化，開關就要高頻化，這種高頻化，其基波本身也就構成了一個干擾源，發(fā)出一種更強的傳導干擾波，此外通過改進元器件達到高頻化的同時，也會因輻射干擾波而導致一種超標準值的雜散的信號。這些信號構成了電磁干擾 (EMI)，被干擾對象是無線電通信。為使無線電波不受電磁干擾的影響，就要采取措施限定這種電磁干擾，使之符合有關電磁兼容(EMC)標準或規(guī)范，這已經成為電子產品設計者越來越關注的問題。

開關電源電磁干擾 (EMI)的特點

開關電源功率變換器中的功率半導體器件的開關頻率通常較高，功率開關器件在高頻下的通、斷過程中不可避免地要產生強大的電磁干擾。與數(shù)字電路相比，開關電源 EMI 呈現(xiàn)出鮮明的特點：a.開關電源EMI 干擾源的位置比較清楚，主要集中在功率開關器件、二極管以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上。b.作為工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，其產生的EMI 噪聲信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的強度。c.印制電路板布線不當也是引起電磁干擾的主要原因。這些干擾經傳導和輻射對其他電子設備造成干擾。

任何電源線上傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。在一般情況下，差模干擾幅度小，頻率低，所造成的干擾較小；共模干擾幅度大，頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導干擾，把 EMI信號控制在有關EMC 標準規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。電磁干擾濾波器的設計

(1)電磁干擾濾波器設計原則

電磁干擾濾波器的設計與選擇，應根據(jù)干擾源的特性、頻率范圍、電壓、阻抗等參數(shù)及負載特性的要求綜合考慮，通常要考慮以下幾方面的問題：

1)要求電磁干擾濾波器在相應工作頻段范圍內，能滿足負載要求的衰減特性，若一種濾波器衰減量不能滿足要求的時候，則可采用多級聯(lián)，可以獲得比單級更高的衰減，不同的濾波器級聯(lián)，可以獲得在寬頻帶內良好的衰減特性。

2)要滿足負載電路工作頻率和需抑制頻率的要求，如果遇到要抑制的頻率和有用信號頻率非常接近，則需要頻率特性非常陡峭的EMI 濾波器。

3)在所要求的頻率上，濾波器的阻抗必須與它連接的干擾源阻抗和負載阻抗相匹配，如果負載是高阻抗，則EMI 濾波器的輸出阻抗應為低阻；如果電源或干擾源阻抗是低阻抗，則EMI 濾波器的輸出阻抗應為高阻；如果電源阻抗或干擾源阻抗是未知的或者是在一個很大的范圍內變化，很難得到穩(wěn)定的濾波特性，為了使EMI 濾波器獲得良好的濾波特性，應在其輸入和輸出端，同時并接一個固定電阻。

4)電磁干擾濾波器必須具有一定耐壓能力，要根據(jù)電源和干擾源的額定電壓來選擇濾波器，使它具有足夠高的額定電壓，以保證在所有預期工作的條件下都能可靠地工作，能夠經受輸入瞬時高壓的沖擊。

5)濾波器允許通過的電流應與電路中連續(xù)運行的額定電流一致。電流定高了，會加大濾波器的體積和重量；電流定低了，又會降低濾波器的可靠性。

6)濾波器應具有足夠的機械強度，結構簡單，重量輕，體積小，安裝方便，安全可靠。

(2)電磁干擾濾波器的電路結構與參數(shù)選擇

圖 1 是開關電源EMI 濾波器的電路。其中L 1 、 L 2 為共模扼流圈，其結構見圖 2。由于它的兩個線圈匝數(shù)相等，這兩個電感對于差模電流和主電流所產生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用；而對于共模干擾信號，能夠得到一個大的電感量呈現(xiàn)高阻抗，以獲得最大的濾波效果，因此對其有良好的抑制作用。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得L 1 和 L 2 的電感量是不相等的，于是， (L 1 － L 2 )形成差模電感，它和L 3 與 L 4 形成的獨立差模抑制電感與 C x 電容器又組成 L － N 獨立端口間的一個低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模干擾信號。

在選擇濾波元件時，一定要保證輸入濾波器諧振頻率低于開關電源的工作頻率。由于隨著電源工作頻率的升高，濾波器對運行噪聲將更容易抑制，所以設計中要注意濾波器在工作頻率低時的抑制效果。

C X 電容被用來衰減差模干擾， C Y 用來衰減共模干擾， R 用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。若電容的容量大于 0.1 μ F 時，該放電電阻的阻值應為

R ＝ t /(2.21C)

式中， t ＝ 1 s；C 為2 個C X 的總和值。在圖 1 所示電路中各元件參數(shù)在下列范圍內選擇：

C X 為 0.1～２ μ F；C Y 為 2 200 pF～0.033 μ F；L 1 、 L 2 為幾至幾十毫亨；隨工作電流的不同而選擇不同參數(shù)。

共模扼流圈使用的磁心有環(huán)形、 E 形和U 形等，一般采用鐵氧體材料。環(huán)形磁心適用于大電流小電感量，它的磁路比E 形和U 形長，沒有間隙，用較少的圈數(shù)可獲得較大的電感量，由于這些特點，它具有較佳的頻率特性。E 形磁心的線圈泄漏磁通小，故當電感漏磁有可能影響其他電路或其他電路與共模電感有磁耦合，而不能獲得所需要的噪聲衰減效果時，應考慮采用E 形磁心作共模電感。

L 3 、 L 4 一般采用金屬粉壓磁心，由于粉壓磁心適用頻率范圍較低，在幾十千赫～幾兆赫，其直流重疊特性好，在大電流應用時電感量也不會大幅度下降，最適合作差模電感。

差模電容 C X 接在交流進線兩端，它上面除加有額定交流電壓外，還會疊加交流進線之間存在的各種 EMI 峰值電壓，所以該電容的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高；同時要求該電容失效后，不能危及后面電路及人身安全。C X 電容器的安全等級又分為 X 1 和 X 2 兩類， X 1 類適用于一般場合， X 2 類適用于會出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應用場合。因此，要根據(jù) EMI 濾波器的應用場合和可能存在的EMI 信號的峰值，正確選用適合安全等級的電容。

共模電容 C Y 接在交流電進線與機殼地之間，要求它們在電氣和機械性能上，應有足夠大的安全余量，萬一它們發(fā)生擊穿短路，將使設備機殼帶上交流電，如設備的絕緣或接地保護失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此 C Y 電容器的容量要進行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬一發(fā)生電壓擊穿它應處于開路狀態(tài)，而不會使設備機殼帶電。

由于濾波器工作在高電壓、大電流、惡劣的電磁干擾環(huán)境中，因此在設計和選擇濾波器時，必須考慮所用電感器和電容器的安全性能，對于電感線圈，其磁心、繞線的材料，絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應予以重視。對于電容，其電容種類、耐壓、安全等級、容量和漏電等都應優(yōu)先考慮，特別要求選擇經過國際安全機構安全認證的產品。

電磁干擾濾波器的安裝

恰當?shù)匕惭b濾波器，才能獲得良好的效果，通常情況下應考慮以下幾點。

1)濾波器應盡量靠近設備入口處安裝，應盡量縮短在設備內沒有經過濾波器的交流進線。最好安裝在干擾源出口處，再將干擾源和濾波器完全屏蔽起來。如果干擾源內腔空間有限，則應在靠近干擾源電源線出口外側，濾波器殼體與干擾源殼體應進行良好的搭接。

2)濾波器的輸入和輸出線必須分開，防止輸入端與輸出端線路耦合，降低濾波特性，通常利用隔板或底盤來固定濾波器。若不能實施隔離方法，則采用屏蔽引線。

3)濾波器中電容器導線應盡量短，以防止感抗與容抗在某頻率上形成諧振。

4)濾波器接地線上有很大的短路電流，能輻射電磁干擾，要進行良好的屏蔽。

5)焊接在同一插座上的每根導線必須進行濾波，否則會完全失去濾波的衰減特性。

6)管狀濾波器必須完全同軸安裝，使電磁干擾電流成輻射狀流過濾波器。