开关电源EMI滤波器设计

     摘要：分析了一种典型的开关电源电路，利用Pspice软件对其传导电磁干扰进行仿真研究，以TDK公司提供的元器件模型，提出了一种二阶无源EMI滤波器，完全消除了电路输出信号中的尖峰干扰，抑制了开关电源电路中的共模、差模噪声。同时，研究源和负载理想、非理想阻抗特性对滤波器插入损耗的影响，具有一定的意义。

　　开关电源以其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等方面的优点，广泛应用于工业、国防、家用电器等各个领域。然而，开关电源*率半导体器件的高速通断及整流二极管反向恢复电流产生了较高的du／dt和di／dt，它们产生的尖峰电压和浪涌电流成为开关电源的主要干扰源。文中给出的电源滤波器元件主要基于TDK公司提供的模型，该模型考虑了元件的高频寄生参数，更符合工程应用。

　　1 开关电源EMI产生机理

　　1．1 开关电源的电磁干扰源

　　(1)开关管产生干扰。开关管导通时由于开通时间很短及回路中存在引线电感，将产生较大的du／dt和较高的尖峰电压。开关管关断时间很短，也将产生较大的di／dt和较高的尖峰电流，其频带较宽而且谐波丰富，通过开关管的输入输出线传播出去形成传导干扰；

　　(2)整流二极管反向恢复电流引起的噪声干扰。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，二极管导通角变小，输入电流成为一个时间很短，而峰值很高的尖峰电流，含有丰富的谐波分量，对其他器件产生干扰。二级滤波二极管由导通到关断时存在一个反向恢复时间。因而，在反向恢复过程中由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰，同时产生反向恢复尖峰电流，形成干扰源；

　　(3)高频变压器引起EMI问题。隔离变压器初、次级之间存在寄生电容，这样高频干扰信号很容易通过寄生电容耦合到次级电路，同时由于绕制工艺问题在初、次级出现漏感将产生电磁辐射干扰。另外，功率变压器电感线圈中流过脉冲电流而产生电磁辐射，而且在负载切换时会形成电压尖峰；

　　(4)二次整流回路干扰。开关电源工作时二次整流二极管、变压器次级线圈和滤波电容形成高频回路，向空间辐射噪声；

　　(5)元器件寄生参数引起的噪声。主要是开关管与散热片、变压器初、次级的分布电容及其漏感形成的干扰。

　　1．2 共模、差模传导干扰路径

　　共模干扰主要为相、中线干扰电流通过M1漏极与散热片之间的耦合电容通过接地线形成回路，差模干扰则在相线与中线间形成回路，干扰路径如图1所示。

　　参阅资料对比发现，如果将设计的EMI滤波器置于电网电源与Lisn之间，可以滤除来自交流电网的传导性性电磁干扰，但是并没有考虑开关电源电路中的传导性共、差模电磁干扰和输出信号中的强尖峰干扰。因此，有必要在开关电源输出端添加EMI滤波器用来进行干扰抑制，如图2即文中提出的开关电源相对应的二阶无源EMI滤波器结构。其中，开关电源输出为DC 30 V±1％。

　　2 应用PSPlCE软件仿真

　　2．1 滤波器输入输出结果比较

　　如图2所示开关电源输出端接二阶无源EMI滤波器，利用电压探头可以测量滤波器输入、输出信号，仿真结果如图3所示。

　　如图3所示，开关电源输出电压信号经过EMI滤波器后几乎没有衰减，对图3局部放大如图4所示。输出信号尖峰干扰完全滤除，同时由于该滤波器元器件采用TDK模型，均考虑了元件高频寄生参数的影响，因而更贴近实际的工程应用。一般开关电源设计中在变压器次级都有尖峰抑制器，但输出纹波电压稍大，若去除尖峰抑制器直接使用该滤波器后纹波电压减小约80％。

　　2．2 传导共模、差模干扰信号分析

　　如图5所示为典型的Lisn电路图，对于工频(50 Hz或60 Hz)，电感感抗很小，电容容抗很大，因而交流信号可几乎无衰减的通过Lisn，而高频信号可很好的被阻隔。这里利用Pspice电压探头通过Lisn可以很容易的分离共模、差模信号。

　　探头探测到的电压由相线或中线电流流过50 Ω电阻形成的，具体表达式为

　　在Pspice中利用算法可以分离出共模与差模噪声，如图6所示。共模噪声低于30 dBμV，差模噪声低于50 dBμV。

　　为了验证滤波器对CM、DM噪声的抑制作用，可以在滤波器输出端添加图5所示Lisn，分离出共模、差模噪声，如图7所示。

　　如图7所示，共模噪声值为32 dBμV(1 ms)，在时域分析7 ms后出现负值。差模噪声电平值为3．94 dBμV(1 ms)，时域分析3 ms后出现负值，说明在滤波器输出端共模、差模噪声得到了较好的衰减。

　　2．3 EMI滤波器源及负载阻抗特性对插入损耗的影响

　　2．3．1 纯阻性阻抗对插损的影响

　　图8(a)所示，源阻抗ZS为纯阻性，在1 Hz～30 MHz频段插损随着ZS的增大逐渐增大，图8(b)负载阻抗为纯阻性，在低频段插损随着ZL增大逐渐增大，但在高频段负载变化几乎对插损没有影响。

　　2．3．2 感性阻抗对插损的影响

　　图9(a)源阻抗为纯感性(不考虑寄生参数)，随着电感值的增加插损在f>1 kHz频段逐渐增大，谐振点插损相应提高。但在f<1 kHz，插损几乎不随电感取值的影响。图9(b)源阻抗为感性(考虑寄生参数)，插损随电感值的增大而增大，f>1 kHz插损与图9(a)比较下降约30～50 dB，f<1 kHz，低频插损与图9(a)比较略高3～5 dB。图9(c)负载为纯感性(不考虑寄生参数)，随着电感数值逐步增大，插损几乎没有变化，但在1～10 kHz频段插损随着电感增大而逐步增大。当电感取值>100 mH后，出现谐振点，而且随着电感值的增大，谐振点向工频靠近，谐振点出现极大值。通过选取适当的电感来抑制更接近50／60 Hz的低频干扰，前提是负载必须为纯感性。图9(d)中负载为感性(考虑寄生参数)，在低频段插损随着电感增大而逐步增大，但在高频段插损几乎没有变化。

　　2．3．3 容性阻抗对插损的影响

　　图10(a)中源阻抗为纯容性(不考虑寄生参数)，电容越小，整体插损越大，尤其在μF～nF量级，nF～pF量级范围插损低频段增加很快，电容增加到mF量级后，电容变化几乎对插损没有影响。图10(b)源阻抗为容性(考虑寄生参数)，电容越小，整体插损越大，相比纯容性源阻抗其在nF量级插损较小，整体上电容的高频寄生参数对插损影响较小。图10(c)中负载为纯容性(不考虑寄生参数)，随着电容值逐步增大，其在工频附近插损越来越小，对有用信号的衰减变小，但在高频范围负载电容变化对插损几乎没有影响。图10(d)中负载为容性(考虑寄生参数)，随着电容值逐步增大，其在工频附近插损越来越小，相比图10(c)说明电容高频寄生参数对插损影响很小。比较图8～图10，源阻抗特性在频段1 Hz～30 MHz整个对插损影响很大，而负载阻抗特性只在1 Hz

　　2．4 寄生参数对滤波器插损影响

　　理想的EMI滤波器元器件均采用纯电容纯电感并没有考虑其高频寄生参数，而实际使用的集总参数元件存在高频寄生参数，这里给出两种情况下滤波器插入损耗曲线对比，假设负载为纯阻性，如图11所示。

　　当f>3．1 MHz后，由于寄生参数的影响，插入损耗曲线偏离理想插损曲线，但整体插损依然很高，如图11所示。在频率高达5 GHz时依然有53．6 dB的插损，说明滤波器在高频甚至特高频频对噪声抑制能力。

　　3 结束语

　　提出的二阶无源EMI滤波器，完全滤除了开关电源输出端的尖峰干扰，其对开关电源传导性共模、差模噪声干扰体现了较强的抑制作用。同时，分析了源、负载阻抗特性对滤波器性能的影响，采用TDK元器件模型的滤波器使得理论的仿真更贴近实际工程应用。