開關(guān)電源電磁干擾濾波器

開關(guān)電源電磁干擾濾波器是無源網(wǎng)絡(luò)，它具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網(wǎng)中與電源之間，相當(dāng)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(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。

開關(guān)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(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)、通信等各類電子設(shè)備。但是隨著開關(guān)電源的小型化，開關(guān)就要高頻化，這種高頻化，其基波本身也就構(gòu)成了一個干擾源，發(fā)出一種更強(qiáng)的傳導(dǎo)干擾波，此外通過改進(jìn)元器件達(dá)到高頻化的同時，也會因輻射干擾波而導(dǎo)致一種超標(biāo)準(zhǔn)值的雜散的信號。這些信號構(gòu)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(guān)電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，這已經(jīng)成為電子產(chǎn)品設(shè)計者越來越關(guān)注的問題。

開關(guān)電源電磁干擾 (EMI)的特點(diǎn)

開關(guān)電源功率變換器中的功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率通常較高，功率開關(guān)器件在高頻下的通、斷過程中不可避免地要產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾。與數(shù)字電路相比，開關(guān)電源 EMI 呈現(xiàn)出鮮明的特點(diǎn)：a.開關(guān)電源EMI 干擾源的位置比較清楚，主要集中在功率開關(guān)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(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，其產(chǎn)生的EMI 噪聲信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的強(qiáng)度。c.印制電路板布線不當(dāng)也是引起電磁干擾的主要原因。這些干擾經(jīng)傳導(dǎo)和輻射對其他電子設(shè)備造成干擾。

任何電源線上傳導(dǎo)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??；共模干擾幅度大，頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把 EMI信號控制在有關(guān)EMC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關(guān)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(shè)計

(1)電磁干擾濾波器設(shè)計原則

電磁干擾濾波器的設(shè)計與選擇，應(yīng)根據(jù)干擾源的特性、頻率范圍、電壓、阻抗等參數(shù)及負(fù)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(yīng)工作頻段范圍內(nèi)，能滿足負(fù)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(nèi)良好的衰減特性。

2)要滿足負(fù)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(fù)載阻抗相匹配，如果負(fù)載是高阻抗，則EMI 濾波器的輸出阻抗應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(yù)期工作的條件下都能可靠地工作，能夠經(jīng)受輸入瞬時高壓的沖擊。

5)濾波器允許通過的電流應(yīng)與電路中連續(xù)運(yùn)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(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇

圖 1 是開關(guān)電源EMI 濾波器的電路。其中L 1 、 L 2 為共模扼流圈，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(dú)立差模抑制電感與 C x 電容器又組成 L － N 獨(dú)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(guān)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(yùn)行噪聲將更容易抑制，所以設(shè)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(yīng)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(nèi)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(diǎn)，它具有較佳的頻率特性。E 形磁心的線圈泄漏磁通小，故當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)線兩端，它上面除加有額定交流電壓外，還會疊加交流進(jìn)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(yīng)用場合。因此，要根據(jù) EMI 濾波器的應(yīng)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(jìn)線與機(jī)殼地之間，要求它們在電氣和機(jī)械性能上，應(yīng)有足夠大的安全余量，萬一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機(jī)殼帶上交流電，如設(shè)備的絕緣或接地保護(hù)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(jìn)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(yīng)處于開路狀態(tài)，而不會使設(shè)備機(jī)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(shè)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(yīng)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(yīng)優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過國際安全機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證的產(chǎn)品。

電磁干擾濾波器的安裝

恰當(dāng)?shù)匕惭b濾波器，才能獲得良好的效果，通常情況下應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

1)濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備入口處安裝，應(yīng)盡量縮短在設(shè)備內(nèi)沒有經(jīng)過濾波器的交流進(jìn)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(nèi)腔空間有限，則應(yīng)在靠近干擾源電源線出口外側(cè)，濾波器殼體與干擾源殼體應(yīng)進(jìn)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(dǎo)線應(yīng)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(jìn)行良好的屏蔽。

5)焊接在同一插座上的每根導(dǎo)線必須進(jìn)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。