開關電源輸入EMI濾波器設計與仿真

摘要

開關電源中常用EMI濾波器抑制共模干擾和差模干擾。三端電容器在抑制開關電源高頻干擾方面有良好性能。文中在開關電源一般性能EMI濾波器電路結構基礎上，給出了使用三端電容器抑制高頻噪聲的濾波器結構。并使用PSpice軟件對插入損耗進行仿真，給出了仿真結果。

1 開關電源特點及噪聲產生原因

隨著電子技術的高速發展，電子設備種類日益增多，而任何電子設備都離不開穩定可靠的電源，因此對電源的要求也越來越高。開關電源以其高效率、低發熱量、穩定性好、體積小、重量輕、利于環境保護等優點，近年來取得快速發展，應用領域不斷擴大。開關電源工作在高頻開關狀態，本身就會對供電設備產生干擾，危害其正常工作；而外部干擾同樣會影響其正常工作。開關電源干擾主要來源于工頻電流的整流波形和開關操作波形。這些波形的電流泄漏到輸入部位就成為傳導噪聲和輻射噪聲，泄漏到輸出部位就形成了波紋問題。考慮到電磁兼容性的有關要求，應采用EMI電源濾波器來抑制開關電源上的干擾。文中主要研究的是開關電源輸入端的EMI濾波器。

2 EMI濾波器的結構

開關電源輸入端采用的EMI濾波器是一種雙向濾波器，是由電容和電感構成的低通濾波器，既能抑制從交流電源線上引入的外部電磁干擾，還可以避免本身設備向外部發出噪聲干擾。開關電源的干擾分為差模干擾和共模干擾，在線路中的傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾是火線與零線之間產生的干擾，共模干擾是火線或零線與地線之間產生的干擾。抑制差模干擾信號和共模干擾信號普遍有效的方法就是在開關電源輸入電路中加裝電磁干擾濾波器。EMI濾波器的電路結構包括共模扼流圈(共模電感)L，差模電容Cx和共模電容Cy。共模扼流圈是在一個磁環(閉磁路)的上下兩個半環上，分別繞制相同匝數但繞向相反的線圈。兩個線圈的磁通方向一致，共模干擾出現時，總電感迅速增大產生很大的感抗，從而可以抑制共模干擾，而對差模干擾不起作用。

為了更好地抑制共模噪聲，共模扼流圈應選用磁導率高，高頻性能好的磁芯。共模扼流圈的電感值與額定電流有關。差模電容Cx通常選用金屬膜電容，取值范圍一般在0．1～1μF。Cy用于抑制較高頻率的共模干擾信號，取值范圍一般為2200～6800 pF。常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于接地，共模電容Cy上會產生漏電流Ii-d。因為漏電流會對人體安全造成傷害，所以漏電流應盡量小，通常<1．0 mA。共模電容取值與漏電流大小有關，所以不宜過大，取值范圍一般為2200～4700 pF。R為Cx的泄放電阻。電源濾波器的性能很大程度上取決于其端阻抗，根據信號傳輸理論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與負載端的端接應遵循阻抗極大不匹配原則。因此，濾波器設計時應遵循：(1)源內阻是高阻(低阻)的，濾波器輸入阻抗就應該是低阻(高阻)；(2)負載是高阻(低阻)的，則濾波器輸出阻抗就應該是低阻(高阻)。對EMI信號來說，電感是高阻，電容是低阻，則有圖1中的4種濾波器選用類型。

電源濾波器一般用來抑制30 MHz以下頻率范圍的噪音，但對30 MHz以上的輻射發射干擾也有一定的抑制作用。根據開關電源共模、差模干擾的特點。可以按干擾的分布大概劃分為3個頻段：O．15～0．5 MHz差模干擾為主；0．5～5 MHz差模、共模干擾共存；5～30 MHz共模干擾為主。

3 插入損耗

插入損耗是評價濾波器性能的主要指標，它是頻率的函數。插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸到負載的功率P1和接入濾波器后噪聲源傳輸到負載的功率P2之比，用dB表示。插入損耗越大，說明濾波器抑制干擾的能力越強。濾波器接入前后的電路圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。濾波器的插入損耗由式(1)表示。

4 三端電容器

在高頻線路中，因為一般電容器的引線具有電感分量，所以影響了其高頻特性。而三端電容器在結構上可以做到與電容器串聯的剩余電感分量很小，因此其插入損耗特性優于兩端電容器，從而改善了電容器的高頻特性。三端電容器有引線式和片狀式兩種。

5 PSpice仿真

(1)使用三端電容的電路的插損與以往電路插損的比較。

取差模電容Cx為0．1μF，共模電容Cy為2200pF，共模電感L取8mH。三端電容的等效串聯電感ESL取0．36nH。在50 Ω／50 ΩQ系統中分別對一般結構的EMI濾波器和使用了三端電容器的EMI濾波器的插入損耗進行PSpice仿真。如圖7所示，EMI濾波器在使用三端電容時，諧振點之后的插損效果明顯好于在濾波器中使用兩端電容的插損。提高了濾波器在高頻段的性能。

(2)不同Cy值，固定ESL。

在使用三端電容的濾波器電路中，輸入阻抗和輸出阻抗都取50時，分別取共模電容Cy為4700pF，3300pF和2200pF，其他參數不變，觀察共模電容Cy變化時對插入損耗的影響。通過圖8的仿真結果看出，隨著共模電容的增大，在高頻段插入損耗有所提高，并且濾波器諧振點降低；而在低頻段基本沒有變化。因此可以通過選擇較大的共模電容來提高濾波器高頻段的插入損耗。由于共模電容需要接地，有漏電流，Iid的存在，對人身安全存在威脅。而共模電容越大，漏電流越大，所以選擇共模電容時需要在漏電流滿足安全條件的情況下取值。

3)固定Cy值，不同ESL。

考察三端電容器與信號線串聯的等效串聯電感ESL對插入損耗的影響。取共模電容Cy為3 300 pF，取ESL分別為0．03 nH，0．36 nH和0．72 nH，其他參數值不變。從圖9的仿真結果可以看出，隨著ESL降低，諧振點提高，諧振點之后的插入損耗下降。

6 結束語

在一般性能EMI濾波器的基礎上，使用三端電容器作為共模電容對原濾波器加以改進，仿真結果表明，在高頻段有較好的插損效果。由于實際使用時設備的阻抗大小以及在高頻時元件的寄生效應均會對EMI濾波器的插損產生影響，因此還需根據實際情況對濾波器進行具體優化設計