大功率開關(guān)電源的EMC測試分析及正確選擇EMI濾波器

中心議題：

• 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理
• EMI濾波器的正確選擇
• 開關(guān)電源電磁干擾解決辦法

解決方案：

• 正確選擇EMI濾波器
• 進(jìn)線電抗器+EMI濾波器

開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于開關(guān)電源固有的特點(diǎn)，自身產(chǎn)生的各種噪聲卻形成一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源。所產(chǎn)生的干擾隨著輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng)，使整個(gè)電網(wǎng)的諧波污染狀況愈加嚴(yán)重。對電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅，因此解決開關(guān)電源的電磁干擾是減小電網(wǎng)污染的必要手段，本文對一臺(tái)15kW開關(guān)電源的EMC測試，分析其測試結(jié)果，并介紹如何合理地正確選擇EMI濾波器，以達(dá)到理想的抑制效果。

1 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理

圖1為所測的15kW開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾值，由圖中可以看出在0、15～15MHz大范圍超差。這是因?yàn)殚_關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲所為。開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲分為差模噪聲和共模噪聲。

圖1未加任何抑制措施所測得的傳導(dǎo)騷擾

1.1共模噪聲
共模噪聲是由共模電流，IcM所產(chǎn)生，其特征是以相同幅度、相同相位往返于任一電源線（L、N）與地線之間的噪聲電流所產(chǎn)生。圖2為典型的開關(guān)電源共模噪聲發(fā)射路徑的電原理圖。

圖2 共模噪聲電原理圖

由于開關(guān)電源的頻率較高，在開關(guān)變壓器原、副邊及開關(guān)管外殼及其散熱器（如接地）之間存在分布電容。當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，開關(guān)變壓器分布電容（漏感等）存儲(chǔ)的能量會(huì)與開關(guān)管集電極與地之問的分布電容進(jìn)行能量交換，產(chǎn)生衰減振蕩，導(dǎo)致開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓迅速上升。這個(gè)按開關(guān)頻率工作的脈沖束電流經(jīng)集電極與地之問的分布電容返回任一電源線，而產(chǎn)牛共模噪聲。

1.2差模噪聲
差模噪聲是由差模電流IDM昕產(chǎn)生，其特征是往返于相線和零線之間且相位相反的噪聲電流所產(chǎn)生。

1.2.1差模輸入傳導(dǎo)噪聲
圖3為典型的開關(guān)電源差模輸入傳導(dǎo)噪聲的電原理圖。

其一是當(dāng)開關(guān)電源的開關(guān)管由關(guān)斷切換到導(dǎo)通時(shí)，回路電容C 通過開關(guān)管放電形成浪涌電流，它在回路阻抗上產(chǎn)生的電壓就是差模噪聲。

圖3差模輸入傳導(dǎo)噪聲電原理圖

其二是工頻差模脈動(dòng)噪聲，它是由整流濾波電容c 在整流電壓上升與下降期問的充放電過程中而產(chǎn)生的脈動(dòng)電流與放電電流，也含有大量諧波成分構(gòu)成差模噪聲。

以上兩種差模噪聲都返回到輸入端的交流電網(wǎng)，所以稱為輸入傳導(dǎo)噪聲，它不僅污染電網(wǎng)，還給其它接人電網(wǎng)的電子、電氣設(shè)備造成危害，還直接導(dǎo)致輸入功率因數(shù)的下降。

1.2.2 差模輸出傳導(dǎo)噪聲
第三種差模噪聲是輸出傳導(dǎo)噪聲，它是整流輸出部分二極管由正偏轉(zhuǎn)為反偏時(shí)，反向電流與二極管結(jié)電容、分布電感產(chǎn)生尖峰電壓而造成的差模噪聲，圖4為典型的半波整流濾波電路：

圖4 差模輸出傳導(dǎo)噪聲電原理圖

2 EMI濾波器的正確選擇

EMI濾波器是以工頻為導(dǎo)通對象的反射式低通濾波器，插入損耗和阻抗特性是重要技術(shù)指標(biāo)。EMI濾波器在正常工作時(shí)處于失配狀態(tài)，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，它無法實(shí)現(xiàn)匹配。如濾波器輸入端阻抗 （電網(wǎng)阻抗）是隨著用電量的大小而改變的。濾波器輸出端的阻抗 。（電源阻抗）是隨著負(fù)載的大小而改變的。要想獲得最佳的EMI抑制效果，必須根據(jù)濾波器的兩端所要連接的源端阻抗特性和負(fù)載阻抗特性來選擇EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即遵循輸入、輸出端阻抗失配原則。一般選用方法是：

（1）低的源阻抗和低的負(fù)載阻抗：選?。═）ⁿ 濾波器結(jié)構(gòu)；（2）高的源阻抗和高的負(fù)載阻抗：選?。?pi; ）^n“濾波器結(jié)構(gòu)；（3）低的源阻抗和高的負(fù)載阻抗：選?。↙C）^n“濾波器結(jié)構(gòu)；（4）高的源阻抗和低的負(fù)載阻抗：選?。–L） 濾波器結(jié)構(gòu)。

若不能滿足阻抗失配的原則，就會(huì)影響濾波器的插損性能，嚴(yán)重時(shí)甚至引起諧振，在某些頻點(diǎn)處出現(xiàn)干擾放大現(xiàn)象，所以，阻抗失配連接原則是應(yīng)用EMI濾波器必須遵循的原則。

針對圖l所測得的傳導(dǎo)騷擾值，可以看出在0.15～15MHz范圍內(nèi)嚴(yán)重超差，最大值超過限值近40dB，而且尖峰較為密集。說明電源所產(chǎn)生的浪涌電壓和浪涌電流較大，即電源的du／dt、di／dt很大，也就是產(chǎn)生的_F擾能量很大。開關(guān)電源共模噪聲等效電路呈高阻抗容性，而差模等效電路高、低阻抗同時(shí)存在。針對這種情況，EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)選為二級共模電感和一個(gè)單獨(dú)的差模電感型式，這樣既可以濾除共模噪聲，又可以濾除差模噪聲。插入損耗為40dB，所測得的傳導(dǎo)騷擾值如圖5所示。

圖5加EMI濾波器后所測的傳導(dǎo)騷擾

由圖5可以看出，傳導(dǎo)騷擾值在某些頻段處還有超差，效果不十分理想，這是因?yàn)椋瑐鲗?dǎo)接受機(jī)所測得的傳導(dǎo)騷擾值是個(gè)綜合參數(shù)，它無法判斷出在0.15—15MHz頻率范圍內(nèi)，共模干擾和差模干擾孰重孰輕，一般講：在0.15～0.5MHz低端差模干擾分量很大，在0.5～5MHz共模干擾和差模干擾同時(shí)存在，在5～30MHz之間共模分量較大。原因之二是由于濾波器的電感和電容元件都受其分布參數(shù)的影響，頻率愈高所受的影響愈大。濾波器內(nèi)部電感、電容的裝配工藝、接地質(zhì)量也會(huì)對插入損耗產(chǎn)生很大的影響。原因之三是，由于濾波器電感會(huì)受到電流浪涌的影響，它工作的峰值電流比額定電流要大一倍左右，在重載和滿載時(shí)，差模電感容易產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，致使電感量迅速下降，導(dǎo)致插入損耗性能變壞。

3 較為理想的解決辦法

針對以上情況，在EMI濾波器前端再串接一個(gè)一定值的電感，在交流電路中電感的數(shù)值 X= wL=2πrfL，電感就是一個(gè)電抗器，所以此電感也稱為進(jìn)線電抗器。由X =2πrfL可知，它的感抗與頻率成正比，對于低頻電流可以暢通無阻地通過進(jìn)線電抗器，對于高頻電流進(jìn)線電抗器呈高阻抗、高壓降。因此，進(jìn)線電抗器可作為電流的低通（高阻）濾波器。

并且，開關(guān)電源所產(chǎn)生的諧波電壓大部分都降在了進(jìn)線電抗器上。所以，串接進(jìn)線電抗器不但使傳導(dǎo)騷擾值整體下降了，還使電壓諧波得到了改善。當(dāng)電感值選為6mH時(shí)，其抑制效果如圖6所示。所以對已定型的大功率開關(guān)電源，選擇進(jìn)線電抗器+EMI濾波器，不失為解決其電磁騷擾的比較理想的方法。

圖6進(jìn)線電抗器+EMI濾波器后所測的傳導(dǎo)騷擾

4 結(jié)語

大功率開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾是一個(gè)復(fù)雜的問題，電源產(chǎn)生電磁干擾以傳導(dǎo)干擾的危害尤為嚴(yán)重。根據(jù)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，正確選擇EMI濾波器是有效抑制傳導(dǎo)干擾的關(guān)鍵所在，其目的就是有效地抑制開關(guān)電源對電網(wǎng)的傳導(dǎo)干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾，使開關(guān)電源的電磁兼容性達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求。