利用濾波器有效抑制開關電源電磁干擾問題的探討

　　開關電源廣泛應用于計算機及外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域，具有功耗低、效率高、體積小等顯著優(yōu)點，是目前最普遍應用于電子設備中的一種電源裝置。

　　開關電源的突出缺點是產(chǎn)生極強的電磁干擾（EMI）。EMI信號經(jīng)傳導和輻射會污染電磁環(huán)境，影響電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，干擾通信設備和電子產(chǎn)品，是公認的電力公害。

　　本文將結合開關電源產(chǎn)生EMI的原理，提供濾波抑制的具體方法，幫助大家有效解決電磁干擾問題。

　　開關電源的基本工作原理

　　開關電源主要通過整流器與電力網(wǎng)相連接，將市電直接整流濾波成為直流高壓，然后通過逆變器轉換成低壓的高頻交流電，再經(jīng)過二次整流和濾波變成所需要的直流低電壓。如圖1所示。

圖1 開關電源的結構框圖

　　開關電源產(chǎn)生EMI的原理

　　開關電源產(chǎn)生EMI的原因較多，其中由基波整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。

　　基波整流器的整流過程是產(chǎn)生電流諧波的常見原因

• 　　一次整流回路的諧波干擾

　　工頻正弦波電流通過全波整流電路的整流二極管后變成單向脈沖電流，此電流可分解為直流分量和一系列不同頻率的交流分量之和。利用傅立葉變換得：

　　其中Im是正弦電流的峰值

　　實驗表明，諧波（特別是高頻諧波）會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，一方面使其前端電源波形發(fā)生畸變，另一方面通過電源線產(chǎn)生輻射干擾。

• 　　二次整流電路的諧波干擾

　　整流二極管在正向導通時，PN結的電荷被積累。因為二極管工作在高頻通斷狀態(tài)，當二極管加反向電壓時，積累的電荷不能立即消失，從而產(chǎn)生反向浪涌電流。由于線路存在分布電容、電感，高頻浪涌電流流過時產(chǎn)生高頻振蕩，因此這些騷擾頻譜豐富。

　　變壓器電路產(chǎn)生的諧波

　　變壓器型功率轉換電路用以實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調整，是開關穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成。它生產(chǎn)的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻率較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：

　　1. 開關管的負載是高頻變壓器的初級線圈，是感性負載。當開關管導通時，級線圈中會產(chǎn)生很大的尖峰脈沖電壓，形成干擾。

　　2. 當開關管關斷時，高頻變壓器線圈中產(chǎn)生電動勢e=-Ldi/dt，存儲在電感中的能量和集電極的電阻、電容形成阻尼振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。該諧波電壓通過電線不僅會影響變壓器的初級線圈，還會返回配電系統(tǒng)，造成電網(wǎng)諧波干擾。

　　3. 由高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流回路可能產(chǎn)生較大的輻射干擾。同時，若濾波電容的濾波不足或高頻特性不好，則高頻電流通過一次整流回路以差模干擾的方式進入電網(wǎng)。諧波引發(fā)的問題很多，會引起變壓器的損耗增加，造成電容器的過載故障，引起電力系統(tǒng)功率因數(shù)降低等，危害很大。

　　抑制開關電源EMI的濾波措施

• 　　干擾信號從電源輸入端注入到公共電網(wǎng)，形成傳導騷擾。傳導干擾信號，可分為差模和共模兩種形式。
• 　　差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾；共模干擾在導線與地（機殼）之間傳輸，屬于非對稱性干擾。
• 　　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，還可以通過導線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。

　　基本濾波技術

　　濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關電源EMI信號的傳導干擾和輻射干擾。

　　削弱傳導干擾，把EMI信號控制在有關電磁兼容性（EMC）標準規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在電源輸入端加抗干擾（EMI）濾波器。EMI濾波器安裝在電源線和開關電源之間。它僅允許工頻電流通過，對提高開關電源的可靠性有重要作用。

　　常用的電源濾波器如圖2所示。

圖2 EMI基本濾波電路

　　圖中濾波電容C1、C2、C3、C4與電感L1、L2組成共模л型濾波環(huán)節(jié)，用來濾除共模干擾。C0、C5是高頻旁路電容，與電感L1、L2組成差模л型濾波環(huán)節(jié)，用來濾除差模干擾。

　　EMC很多標準規(guī)定的傳導干擾電平的極限值都是從10kHz算起。開關電源的工作頻率約為10kHz~100kHz。對開關電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號，只要選擇適當?shù)娜ヱ铍娐坊蚓W(wǎng)絡結構較為簡單的EMI濾波器，就可以得到滿意效果。

　　此外，在濾波電路中，還可以采用其他專用的濾波元件，如穿心電容、鐵氧化磁環(huán)等，它們能夠改善濾波特性，恰當?shù)脑O計或選擇濾波器，并正確的安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。

　　特種濾波器件

　　特種濾波器中的饋通型濾波器（如圖3）及其延伸產(chǎn)品濾波陣列板和濾波連接器可有效解決高頻濾波的問題。濾波器安裝在金屬面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出。

圖3 不同濾波電路的衰減特性

　饋通濾波器的電路

　　濾波器的電路結構C型（單個穿心電容）、L形（一個穿心電容加一個電感）、T形（兩個電感加一個穿心電容）、л型（兩個穿心電容加一個電感）等，濾波器的電路器件越多，則濾波器的過渡帶越短，阻帶的插入損耗越大。選用濾波電路的依據(jù)是：

　　1. 對干擾的衰減量：濾波器的器件數(shù)量越多，一般對干擾信號的衰減越大（但有例外，當沒有符合下面第3項的原則時，衰減量可能與器件數(shù)量較少的一樣）。

　　2. 有用信號與干擾信號在頻率上的差別：有用信號與干擾信號的頻率相差越小，需要濾波器的器件數(shù)量越多。

　　3. 使用濾波器的電路的阻抗：一個基本的原則是，濾波器中的電容對著高阻抗電路，電感對著低阻抗電路。這里的所謂高低，可以以50Ω為參考。

　　饋通濾波器的使用方法

　　饋通濾波器的使用方法有以下三種：

　　1. 安裝在屏蔽體（屏蔽盒、屏蔽機箱）的面板上。

　　這是最基本的使用方法，當有導線要穿過屏蔽體時，就需要在屏蔽體的面板上安裝饋通濾波器，使導線通過饋通濾波器纏裹屏蔽體。

　　2. 安裝在線路板的底線層上，如圖4。

圖4 饋通濾波器安裝在PCB板

　　在多層線路板上，可以利用線路板的地線層做隔離層和接地層。

　　1. 安裝在電路之間的隔離板上，如圖5。

圖5 饋通濾波器安裝在隔板上

　　2. 當條件不具備，饋通濾波器不能安裝在屏蔽體面板或地線面上時，安裝在金屬隔離板上也具有普通電容（包括三端電容）不可比擬的高頻濾波作用。

　　濾波陣列板與濾波連接器

　　濾波陣列板和濾波連接器是饋通濾波器概念的兩種延伸。當需要濾波的導線數(shù)量較多時，逐個焊接或安裝饋通濾波器是十分煩瑣的事，這時可使用濾波陣列板或濾波連接器，濾波陣列板上的濾波器已經(jīng)由廠家使用特殊工藝焊接好，性能可靠、使用簡便。濾波陣列板上的濾波器的間隔為2.54mm,因此扁平電纜的接頭可以直接插上，避免了逐根焊線的繁瑣，便于組裝。濾波陣列板一般用在機箱內(nèi)部。

　　對于機箱外部的電纜進行濾波必須使用濾波連接器，這樣才便于電纜的插拔。一般濾波連接器的外形尺寸與普通連接器是完全相同的，可以直接取代普通連接器。

　　不同的是濾波連接器的每個針孔上安裝了一個低通濾波器，濾除信號線上的高頻干擾。

　　使用濾波陣列板時，要注意的問題是：一定要在濾波陣列板與安裝面板之間安裝電磁密封襯墊，否則在縫隙處會有很強的電磁泄露。

　　自制濾波連接器

　　濾波連接器對于解決電纜造成的干擾十分有效。但是濾波連接器的價格一般較高，并且不是所有型號的連接器都有對應的濾波連接器。這給實際工程帶來很大不便。如果對空間的限制不嚴，可以自己制作濾波連接器，其效果與成品相同。

　　自制濾波連接器的方法有兩個，一個是在設備面板上選好連接器后，在連接器的后面裝一個屏蔽盒，屏蔽盒上安裝饋通濾波器（或濾波陣列板）如圖6所示；另一個方法是將選好的連接器與饋通濾波器（陣列板）安裝在一個獨立的金屬盒內(nèi)，構成一個濾波部件。

圖6 自制濾波連接器

　　怎樣確定濾波器的參數(shù)

　　選用濾波器時，最重要的3個參數(shù)是額定電流、額定電壓和截止頻率。

　　額定電流就是指流過濾波器的信號電流，一般很好確定。

　　電壓的確定：如果所濾波的導線不會受到靜電放電、電流脈沖、浪涌等高壓的沖擊，電路的工作電壓就是濾波器額定工作電壓。否則，如拖在設備外部的電纜，會受到高壓的沖擊，此時需要充分考慮這種情況。一般額定工作電壓要達到200V以上。

　　截止頻率的確定：信號線濾波器的截止頻率定義為插入損耗為3dB時頻率。截止頻率的選擇必須保證濾波器的通帶覆蓋功能性信號的帶寬，保證設備的正常工作，同時最大限度地濾除不必要的高頻干擾。對于模擬信號，只要保證截止頻率大于信號的帶寬即可。對于數(shù)字脈沖信號，截止頻率可定為1/лtr，tr是脈沖的上升/下降時間。如果是周期性脈沖信號，也可以取脈沖重復頻率的15倍作為截止頻率。

　　濾波電容值的確定：電容值越大，濾波器的截止頻率越低，對于單個電容的濾波電路而言，截止頻率為Fco=1/(2лRpC)，Rp是源電路阻抗與負載電路阻抗的并聯(lián)值。

　　結束語

　　電磁干擾的形式和種類很多，傳播方式、干擾途徑不盡相同，許多廠家通過實踐有更多更好的措施來抑制電磁干擾。如何有效抑制電磁干擾是我們不懈研究的方向。