开关电源有源共模EMI滤波器的工作原理及应用

      1有源共模EMI滤波器基本原理

　　有源EMI滤波技术的实质是对噪声信号进行实时补偿。这里提出的有源共模EMI滤波器（Active Common-mode Filter，简称ACMF）基本原理是先采样共模信号，然后通过反馈，动态输出一个与所采样的噪声电流（电压）大小相等、方向相反的补偿电流（电压），其实质是为共模电流提供一个极低阻抗的内部回路。图1示出其原理图。其中，Path1指共模噪声源S1通过分布电容CD流入地的共模电流路径，在无滤波器时共模噪声inoise将通过CP全部注入地。ACMF将产生一个补偿电流，为inoise提供低阻抗分流支路Path2，从而使其尽量沿Path2路径流过。理想时icomp=-inoise，可使流入地的共模电流为零，从而达到衰减共模电流的目的，以满足电磁干扰的标准。

　　2 ACMF设计

　　分析了传统无源电磁干扰（Electromagnetic Interference，简称EMl）滤波器的缺点，提出有源共模滤波器的设计思想，并分析了其工作原理。以一台反激式开关电源为对象，研究上述开关电源ACMF的设计与应用。图2a示出ACMF在开关电源系统中的连接。图中，用虚线连接于反激式电源变压器初次级地之间的共模滤波电容Cy具有较好滤波效果，但因受漏电流安规要求的限制，其值不能太大。在此拟用提出的ACMF取代Cy，以增强对共模干扰的滤波效果。图2b示出ACMF的具体电路。它由一个宽带高速运算放大器U为的器件构成。

　　由于ACMF网络处理共模干扰信号的特殊性，所以对电路中一些元器件的选择也存在一些特殊要求。ACMF电路中关键元器件的选取和设计如下：

　　（1）运算放大器U的选择因为共模干扰的频谱范围较宽，所以要求处理它的运算放大器的频带宽，响应速度快，对输入电压中的共模电压有较高的抑制，并能输出较大的电流。这里选择单位增益可达 200MHz，输出电流为l00mA的高速电压反馈式运放LM7171，它的工作电压较宽，为5.5-36V。通常情况下，开关电源的高频变压器都会有一个辅助绕组给PWM/PFM控制芯片提供电源，这样运算放大器的工作电压可直接从该辅助绕组经整流后获得，如图2a中的#1，接至绕组后，就在#1与#2之间很方便地给运算放大器提供工作电源。

　　（2）负反馈网络参数的确定由于ACMF网络采用电压检测、电流补偿，可写出ACMF的增益Aiv为：

　　设#2，#3之间的阻抗为Z，则：

　　为便于分析，设

　　则Z可进一步表示为：

　　若能使Z=0，则UAB=0，从而实现了图2中反激式电路初次级地A、B两点间理论上的短路，此时为理想的情况。由式（3）可知，要实现理想情况，就要求反馈网络的增益尽可能大，增益越大，Z越小，补偿效果越好；但同时在实际运用中，从系统的稳定性出发，为避免振荡，特别是高频情况下的环路增益不可能太大，所以往往是在稳定性和增益间折衷选择。试验中，反馈网络取Rf=470kΩ， R4=10Ω。

　　（3）电容的选择输出耦合电容C6把输出电压耦合到电路中，同时也起到ACMF与主电路间的隔离作用。这里，C6选取高频特性好的高频电容。

　　在ACMF网络中，由于运算放大器工作时反相端与同相端之间的“虚短”，C4和变压器初次级之间的耦合电容Cps串联，故可通过C4采样到共模电压，并输入至运算放大器的反相端，再经过由Rf,R4,C4组成的运算放大器反馈网络以及C6和R5，，即可输出一个反方向的动态补偿电流，从而使共模电流在 ACMF网络内部循环，这大大减少了流入地的共模电流，达到了衰减，甚至消去共模电流的目的。

　　由于ACMF跨接在变压器的初次级之间，且它代替的Cy一端需接地，故设计的ACMF电路必须满足变压器初次级隔离要求及对地漏电流的安规要求。

　　上述两点在电路设计中可通过下述措施予以保证。

　　（1）电源不工作时的打耐压试验。此时，有源滤波器不起作用，对其进行耐压试验时，高压高频电容C6串联在高压脉冲电路中，所以不影响对变压器打耐压的要求；实验电路中C4～C6均取为560pF值，且耐压满足安规要求的安规电容。

　　（2）图2a中#2与#3间的阻抗Z表达式见式（3）。

　　由式（3）可作出图3所示的交流阻抗Z的频率特性曲线。为便于比较，图中给出了#2与#3之间只跨接Cy=560pF时的阻抗Z2。表1示出Z和Z2在部分频率下的阻抗值。由图3和表1可见，在400Hz以下及工频的低频段，ACMF并未显著降低阻抗；在150kHz以上的高频段，ACMF表现出很低的阻抗，所以ACMF在给高频共模干扰提供极低阻抗通路的同时，不会增大开关电源对地的工频漏电流。

　　2.3 实验结果及分析

　　现以一台输出功率为60W（19.5V/3.5A），开关工作频率为58kHz的反激开关电源为例进行试验，以验证设计的ACMF电路对共模干扰的抑制效果。实验中，实验样机未加任何无源共模滤波器，只加了由0.47μF，0.22μF两个差模电容和一个12.74μH差模电感构成的差模滤波器，以滤除差模噪声，突出观察设计的ACMF对共模噪声的滤波效果。由图2及共模噪声传播信道可知，A和B两点间的电压实际上就是LISN共模噪声采样电阻两端的电压，因此可先用示波器测量这两点间电压的变化来判断ACMF对共模噪声的衰减作用。图4a 示出采用示波器测得实验样机在采用ACMF或和不采用ACMF，但Cy=560pF时A，B两点间的电压uAB实验波形。可见，使用ACMF后，uAB大大减小。这表明设计的ACMF对共模噪声有明显的抑制作用。

　　进一步采用ER55C型EMI接收机对设计的有源EMI滤波器做传导实验。图5示出由接收机测量得到的开关电源实验样机的共模噪声。可见，传导实验证明，设计的ACMF有效地抑制了共模噪声。