開(kāi)關電(diàn)源輸入：共模電(diàn)感，X電(©₽≥diàn)容，Y電(diàn)容，差摸電(diàn)感理("σlǐ)論計(jì)算(suàn)

在開(kāi)關電(diàn)源中，EMI濾波器(qì)對(duì)共模±←和(hé)差模傳導噪聲的(de)抑制(zhì)起著(zhe)顯著的(de)作(✔♣↑zuò)用(yòng)。在研究濾波器(qì)原理(£Ω$lǐ)的(de)基礎上(shàng)，探討(tǎo)了(&♠♣le)一(yī)種對(duì)共模、差模$®信号進行(xíng)獨立分(fēn)析，分(fēn)别建模§"的(de)方法，最後基于此提出了(le)一(yī)種EMI濾波器(qì♦​§♠)的(de)設計(jì)程序。

高(gāo)頻(pín)開(kāi)關電(diàn)源由于其在體(tǐ)積、重Ω↑量、功率密度、效率等方面的(de)諸多(duō)優∑€點，已經被廣泛地(dì)應用(yòng)于工(gōng)→€業(yè)、國(guó)防、家(jiā)電(diàn)産品等×✘各個(gè)領域。在開(kāi)關電(diàn)源應用(₹'yòng)于交流電(diàn)網的(de)場(chǎng)合，整流電¶♠‍(diàn)路(lù)往往導緻輸入電(diàn)流的(de)斷續，這(z©•hè)除了(le)大(dà)大(dà)降低(dī)輸入功率因數( ₽shù)外(wài)，還(hái)增加了(le)大(dà)量高(g¥∏āo)次諧波。同時(shí)，開(kāi)關電(dià↔÷Ω✘n)源中功率開(kāi)關管的(de)高(gāo)速開(kāi)關動作♦→ε€(zuò)（從(cóng)幾十kHz到(dào)數(shù)MHz），形成♠ε✔了(le)EMI（electromagnetic inte★☆¥rference）騷擾源。從(cóng)已發表的(de)≠§開(kāi)關電(diàn)源論文(wén)可(kě)知(zhī)，在±☆開(kāi)關電(diàn)源中主要(yào)存在的(de)幹擾形式是(s©‌<↓hì)傳導幹擾和(hé)近(jìn)場(chǎng)輻射幹擾，傳導幹Ω↑₹擾還(hái)會(huì)注入電(diàn ≤)網，幹擾接入電(diàn)網的(de)其他(tā)設備。

減少(shǎo)傳導幹擾的(de)方法有(yǒu)'±很(hěn)多(duō)，諸如(rú)合理(lǐ)鋪設地(dφ×ì)線，采取星型鋪地(dì)，避免環形地(dì)線，盡可(kě)能 ↔(néng)減少(shǎo)公共阻抗；設計(jì)合理(lǐ)的(de)緩沖電©≈±'(diàn)路(lù)；減少(shǎo)電(diàn)路(lù)雜(z ←∑‍á)散電(diàn)容等。除此之外(wà→Ωi)，可(kě)以利用(yòng)EMI濾波器(qì)衰減電" ≠β(diàn)網與開(kāi)關電(diàn)源對(duì)彼此的(de) &₹↑噪聲幹擾。

EMI騷擾通(tōng)常難以精确描述，濾波器(qì)的(de)♦₽"設計(jì)通(tōng)常是(shì)通(tōng)過反複叠代≥✔，計(jì)算(suàn)制(zhì)作(zuò)以求逐步逼近(÷αjìn)設計(jì)要(yào)求。本文(wén)從(cón≠π₹​g)EMI濾波原理(lǐ)入手，分(fēn)别通(tōng)過對☆π♣>(duì)其共模和(hé)差模噪聲模型的(de✔¥)分(fēn)析，給出實際工(gōng)作(zuò↕™↕)中設計(jì)濾波器(qì)的(de)方法，并分(fēn)步∑✔♦↔驟給出設計(jì)實例。

1、EMI濾波器(qì)設計(jì)原理(lǐ)

在開(kāi)關電(diàn)源中，主要(yào)的(de)EMIΩγ騷擾源是(shì)功率半導體(tǐ)器(qì)件(jiàn)開(kāi§​)關動作(zuò)産生(shēng)的(de)dv/dt™<§和(hé)di/dt，因而電(diàn)磁發射EME(Electro<£✘£magnetic Emission)通(tōng)∏ 常是(shì)寬帶的(de)噪聲信号，其頻(pín)率範圍從&☆γ(cóng)開(kāi)關工(gōng)作(zuò)頻(pín)率到(dào₩∏®↔)幾MHz。所以，傳導型電(diàn)磁環境（EM®‌₹E）的(de)測量，正如(rú)很(hě'✘π∑n)多(duō)國(guó)際和(hé)國✔™≥(guó)家(jiā)标準所規定，頻(pín)率範圍在0.$ 15～30MHz。設計(jì)EMI濾波器(>€qì)，就(jiù)是(shì)要(yào)對(duì‍₩£≠)開(kāi)關頻(pín)率及其高(gāo)次★÷×諧波的(de)噪聲給予足夠的(de)衰減。基于上('≈$≤shàng)述标準，通(tōng)常情況下(₹♠ ×xià)隻要(yào)考慮将頻(pín)率£±‍高(gāo)于150kHz的(de)EME衰減至合∞ ≤λ理(lǐ)範圍內(nèi)即可(kě)。

在數(shù)字信号處理(lǐ)領域普遍認同的(de)低(dī¥β₽∏)通(tōng)濾波器(qì)概念同樣适©₽用(yòng)于電(diàn)力電(diàn)子(zǐ)裝置中。簡言之，EMI濾波器(qì)設計(jì)可(kě)以理(lǐ)解→&α為(wèi)要(yào)滿足以下(xià)要(yào)求：

1）規定要(yào)求的(de)阻帶頻(pín)率和(₹§¥hé)阻帶衰減；（滿足某一(yī)特定頻(pín♦>♠ )率fstop有(yǒu)需要(yào)​䙶Hstop的(de)衰減）；

2）對(duì)電(diàn)網頻(pín)率低(dī)衰減₽‍（滿足規定的(de)通(tōng)帶頻(pín)率和(hé)通(tōn"£↑εg)帶低(dī)衰減）；

3）低(dī)成本。

1.1、常用(yòng)低(dī)通(tōng)濾波器(qì)模型•∞

EMI濾波器(qì)通(tōng)常置于開(kāi)關電(diàn)源與₩δ​≥電(diàn)網相(xiàng)連的(de)前端,是(shì)£↑λ¶由串聯電(diàn)抗器(qì)和(hé)并聯®≠電(diàn)容器(qì)組成的(de)低(dī)×≤∏©通(tōng)濾波器(qì)。如(rú)圖1所示，噪聲源等效阻抗為(wèi©♥∏)Zsource、電(diàn)網等效阻>‍抗為(wèi)Zsink。濾波器(qì)指标（fstop和(hé)Hstop）£±✘γ可(kě)以由一(yī)階、二階或三階低(dī)通(tō&→↕ng)濾波器(qì)實現(xiàn)，濾波器(qì)傳遞函數(shù)的(d™★e)計(jì)算(suàn)通(tōng)常在↓‍γ高(gāo)頻(pín)下(xià)近(jìn)似，也(yě)就(jiù)是(↔♥β&shì)說(shuō)對(duì)于n階濾波器(qì)，忽略所有(yǒu)&‍♣∞omega;k相(xiàng)關項（當k<>
1.2、EMI濾波器(qì)等效電(diàn)路(lσ$σù)

傳導型EMI噪聲包含共模（CM）噪聲和(hé)差Ω"×★模(DM)噪聲兩種。共模噪聲存在于所有(yǒu)交流相(xiàng)線(L、α¥N)和(hé)共模地(dì)(E)之間(jiā©¥♣$n)，其産生(shēng)來(lái)源被認為(wè•₩i)是(shì)兩電(diàn)氣回路(lù)之間(jiān)絕緣洩πγ£>漏電(diàn)流以及電(diàn)磁場(→πchǎng)耦合等；差模噪聲存在于交流相(xiàng£ε±)線(L、N)之間(jiān)，産生(shēng)來(lái✘₹ε")源是(shì)脈動電(diàn)流，開(kāi)關器(qì)∏≠件(jiàn)的(de)振鈴電(diàn)流以及二極管的( ≥♦<de)反向恢複特性。這(zhè)兩種模式的(de)傳導噪聲來(lá±&i)源不(bù)同，傳導途徑也(yě)不(bù)同，®α₩φ因而共模濾波器(qì)和(hé)差模濾波器(qì)應當分(fēn)别✘>←設計(jì)。

顯然，針對(duì)兩種不(bù)同模式的(de)傳×±±ε導噪聲，将其分(fēn)離(lí)并分(fēn)别測量出¶∏實際水(shuǐ)平是(shì)十分(fēn)必✘•要(yào)的(de)，這(zhè)将有(yǒu)利于确定那(nà)種模式→ε→×的(de)噪聲占主要(yào)部分(fēn)，并相(xiàng)應地(dì)©∑δ 體(tǐ)現(xiàn)在對(duì)應的(de)濾波器(qì)設計(jì)過¥&₽≥程中，實現(xiàn)參數(shù)優化(huà)。

以一(yī)種常用(yòng)的(de)濾‍©∑波器(qì)拓撲〔圖2(a)〕為(wèi)例，分(fēn)别對(β©φεduì)共模、差模噪聲濾波器(qì)等效電(diàn)路(lù)進行π ♥>(xíng)分(fēn)析。圖2(b)及圖2(c)分(fēn)别代表濾波器(₽§qì)共模衰減和(hé)差模衰減等效電(diàn)路(lùσ✔↕)。分(fēn)析電(diàn)路(lù)可(k≠♥¶•ě)知(zhī)，Cx1和(hé)Cx2隻用(yòng)于抑制(zφ↑∑hì)差模噪聲，理(lǐ)想的(de)共模扼流電(diàn)感•αLC隻用(yòng)于抑制(zhì)共模噪聲。但(dàn)是(shì☆€σ★)，由于實際的(de)LC繞制(zhì)的(de)不(♠$'‌bù)對(duì)稱，在兩組LC之間(jiā∑♥÷ n)存在有(yǒu)漏感Lg也(yě)可(kě)用(yòng)于抑制(zh® ™ì)差模噪聲。Cy即可(kě)抑制(zhì)共模幹擾、又(yòu)"÷♥可(kě)抑制(zhì)差模噪聲，隻是(shì)由于差模抑制(×✔♠zhì)電(diàn)容Cx2遠(yuǎn)大(dà)于Cy，Cy對↓↓≈(duì)差模抑制(zhì)可(kě)忽Ω"≥↓略不(bù)計(jì)。同樣，LD既可(k∑↑​↔ě)抑制(zhì)共模幹擾、又(yòu)可(•π∏kě)抑制(zhì)差模幹擾，但(dàn)LD遠(yuǎn γε±)小(xiǎo)于LC，因而對(duì)共模噪聲抑制(z≥Ωhì)作(zuò)用(yòng)也(yě)相(₩$☆xiàng)對(duì)很(hěn)小(xiǎo)。¶®≤"

由表1和(hé)圖2可(kě)以推出，對(duì)于共模等效電(di←β≈àn)路(lù)，濾波器(qì)模型為(wèi)一(yī)個(gè)二階★‌'αLC型低(dī)通(tōng)濾波器(qì)♠☆，将等效共模電(diàn)感記為(wèi)LCM，等效共‍€×✘模電(diàn)容記為(wèi)CCM，則有(yǒu)

L_CM=L_C＋1/2L_D（1）

C_CM=2C_y（2）

對(duì)于差模等效電(diàn)路(lù)，λ≠濾波器(qì)模型為(wèi)一(yī)個(gè₹♦)三階CLC型低(dī)通(tōng)濾波器(qì),将等效差模電(diàn✘ε)感記為(wèi)LDM，等效差模電(diα↔àn)容記為(wèi)CDM（令Cx1=Cx2且認為(wèi)Cy€≤/2<

 L_DM=2L_D＋L_g（3）

C_DM=C_x1=C_x2（4）

L_C型濾波器(qì)截止頻(pín)率計(jì)算(suà∏♣n)公式為(wèi)

将式（1）及式（2）代入式（5），則有(yǒu)

CLC型濾波器(qì)截止頻(pín)率計↕®(jì)算(suàn)公式為(wèi)

将式（3）及式（4）代入式（7），則有(yǒu)

在噪聲源阻抗和(hé)電(diàn)網阻抗均确定，且 $¶÷相(xiàng)互匹配的(de)情況下(xià)，EMI濾波器(qì)對(€≥duì)共模和(hé)差模噪聲的(de)抑制(zhì)作(zuò)用(yòng‍φ×)，如(rú)圖3所示。

2、設計(jì)EMI濾波器(qì)的(•∞de)實際方法

2.1、設計(jì)中的(de)幾點考慮

EMI濾波器(qì)的(de)效果不(bù)但(©πdàn)依賴于其自(zì)身(shēn)，還(hái)與噪聲源阻抗及電(d↓±iàn)網阻抗有(yǒu)關。電(diàn)網阻抗Zsink通(tōng)常利®∑♦用(yòng)靜(jìng)态阻抗補償網絡(L<‍≈±ISN)來(lái)校(xiào)正，接在濾波器(σ®☆↔qì)與電(diàn)網之間(jiān)，包括電(diàn)感、電(diàn)≤‌∑容和(hé)一(yī)個(gè)50Ω電(diàn)阻，從(có≈α×ng)而保證電(diàn)網阻抗可(kě)由¥∑已知(zhī)标準求出。而EMI源阻抗則取決于不(bù)同的(de)變換★∏€器(qì)拓撲形式。

以典型的(de)反激式開(kāi)關電(diàn)源為(wèi)例，​Ω♦Ω如(rú)圖4（a）所示，其全橋整流電(diàn)路(lù)電(d©εiàn)流為(wèi)斷續狀态，電(diàn)流電(di¶™✘∑àn)壓波形如(rú)圖5所示。對(duì)₹α于共模噪聲，圖4(b)所示Zsource可(kě)以看(kàn)作(‍δzuò)一(yī)個(gè)電(diàn)流源IS和(hé)一☆☆←✔(yī)個(gè)高(gāo)阻抗ZP并聯；圖4(c)中對(duì)于差模噪聲λ₹，取決于整流橋二極管通(tōng)斷情況，Zsource有(yǒu)兩種狀态： ↔當其中任意兩隻二極管導通(tōng)時(shí)，Z  ₽♠source等效為(wèi)一(yī)個" (gè)電(diàn)壓源VS與一(yī)個(gè)低(dī)值阻​λ抗ZS串連；當二極管全部截止時(shí)，等效π↓∑為(wèi)一(yī)個(gè)電(diàn)流源IS和(h•♠é)一(yī)個(gè)高(gāo)阻抗ZP并聯。因而噪聲源差模等效阻 λ•抗Zsource以2倍工(gōng)頻(pín)•δ€÷頻(pín)率在上(shàng)述兩種狀态切換。


在前述設計(jì)過程中，EMI濾波器(qì)元件(jiàn)（電≈↓¥(diàn)感、電(diàn)容）均被看(kàn)作(zuò)是(sε↕​hì)理(lǐ)想的(de)。然而由于實際元件(ji >¶àn)存在寄生(shēng)參數(shù)，比如(rú)電(d∑βiàn)容的(de)寄生(shēng)電(diàn)感，ε≠電(diàn)感間(jiān)的(de)寄生(shēng)電(dià§φn)容，以及PCB闆布線存在的(de)寄生(shēng)參數(shù)，實際>☆的(de)高(gāo)頻(pín)特性往往與理(lǐ)想元件(jiàn)仿真♣≥§$有(yǒu)較大(dà)的(de)差異。這(zhè)涉及到(dào)EMC高(λπgāo)頻(pín)建模等諸多(duō)問(wèn)題，≈¶模型的(de)參數(shù)往往較難确定，所以，本文(wén)僅§> 考慮EMI濾波器(qì)的(de)低(dī)頻(pín)抑制(zhì)特性←"。故ZS及ZP取值與這(zhè)些(xiē)寄生(shēng)電(♦ε× diàn)容、電(diàn)感以及整流橋等效電(diàn)容等寄生(shē≈↓¥ng)參數(shù)有(yǒu)關，直接采用(yòng) ≤<​根據電(diàn)路(lù)拓撲及參數(shù)建模♠←β的(de)方案求解源阻抗難以實現(xiàn)，因而，在設計(∞∏∞αjì)中往往采用(yòng)實際測量Zsource。

2.2、實際設計(jì)步驟

EMI濾波器(qì)設計(jì)往往要(yào$δ‍↑)求在實現(xiàn)抑制(zhì)噪聲的(≥&★de)同時(shí)，自(zì)身(shēn)體(t←¶δσǐ)積要(yào)盡可(kě)能(néng)小(xiǎ&♣≥o)，成本要(yào)盡可(kě)能(néng)低(dī)廉。同時(sh×♣£í)，濾波效果也(yě)取決于實際的(d✔↔e)噪聲水(shuǐ)平的(de)高(gāo)÷×→低(dī)，分(fēn)析共模和(hé)差♠✔模噪聲的(de)幹擾權重，為(wèi)此，在設計(jì)前要(yào)求确λ¥>‌定以下(xià)參量，以實現(xiàn)設計(jì)的(de)優化(huσπε•à)。

1）測量幹擾源等效阻抗Zsource和(hé)電(diàn)網等效阻抗。實↓✘際過程中往往是(shì)依靠理(lǐ)論和(hé)經驗的(de)指€‍導，先作(zuò)出電(diàn)源的(de↔¥)PCB闆，這(zhè)是(shì)因為(wèi)共模、差模的(deק∞↓)噪聲源和(hé)幹擾途徑互不(bù)相(xiàng)同，電(diànδ™ )路(lù)闆走線的(de)微(wēi)小(xiǎo)差異都(dōu)→¶™可(kě)能(néng)導緻很(hěn)大(dà)EME₽®變化(huà)。

2）測量出未加濾波器(qì)前的(de)幹擾£πβ±噪聲頻(pín)譜，并利用(yòng)噪聲分(fēn)離(lí)器(q←ε₽ì)将共模噪聲VMEASUREE,CM和(h$←é)差模噪聲Vmeasure,CM分(fēn)離(lí‍¶♦ε)，做(zuò)出相(xiàng)應的(de)幹擾頻Ω✘₩>(pín)譜。

接著(zhe)就(jiù)可(kě)以進行(xí★✘∞Ωng)實際的(de)設計(jì)了(le)，仍以本文(wén)中'€σ 提出的(de)濾波器(qì)模型為(w趥π↑i)例，步驟如(rú)下(xià)。

（1）依照(zhào)式（9）計(jì)算(suànδ↑☆)濾波器(qì)所需要(yào)的(de)共模、差βλ模衰減，并做(zuò)出曲線Vmeasure，CM－f和(hé)Vmeasur★$₩e，DM－f，其中Vmeasure，CM和(hé)VmeasurγΩ≥e，DM已經測得(de)，Vstandard，CM和(hé)Vα↑standard，DM可(kě)參照(zhào)傳×♣♥導EMI幹擾國(guó)标設定。加上(shàng)3dB的(de)原因在于用(₽"yòng)噪音(yīn)分(fēn)離(lí)器(γ∑× qì)的(de)測量值比實際值要(yào)大(dà)3dB。

(V_req,CM)dB=(V_measure,CM)－(V_standard,CM)＋3dB

(V_req,DM)dB=(V_measure,DM)－(V_standard,DM)＋3dB（9）

（2）由圖3可(kě)知(zhī)，斜率分(fēn)别為(wèi)40dB/d✘✔™ec和(hé)60dB/dec的(de)→γ<♠兩條斜線與頻(pín)率軸的(de)交點即為∞γ☆(wèi)fR,CM和(hé)fR，DM。作(zuò)Vmeasure∏§，CM－f和(hé)Vmeasure，DM－f的(de)切線，切"≈¥‌線斜率分(fēn)别為(wèi)40dB/dec和(h≠®é)60dB/dec，比較可(kě)知(zhī)，隻要(yào)測量他¶¥(tā)們與頻(pín)率軸的(de)交點，即可(kě)←₩♠€得(de)出fR,CM和(hé)fR，DM，圖6所示為(wèi)其示γ§意圖。

（3）濾波器(qì)元件(jiàn)參數(sh ✘→ù)設計(jì)

——共模參數(shù)的(de)選≤₩♥÷取    Cy接在相(xiàng)φ→↓線和(hé)大(dà)地(dì)之間(jiā​Ω♥n)，該電(diàn)容器(qì)容量過大(dàφ$)将會(huì)造成漏電(diàn)流過大(dà)，安 ₩全性降低(dī)。對(duì)漏電(diàn)流要(★♣yào)求越小(xiǎo)越好(hǎo)，安全¶€Ω×标準通(tōng)常為(wèi)幾百μA到(↓♠dào)幾mA。

EMI對(duì)地(dì)漏電(diàn)流Iy計(jì✔®)算(suàn)公式為(wèi)

 I_y=2πfCV_c（10）

式中：f為(wèi)電(diàn)網頻(pín)率 ∏。

在本例中，Vc是(shì)電(diàn)容∞₽€©Cy上(shàng)的(de)壓降，f=50Hz，C=2C‍•y，Vc=220/2=110V，則 

若設定對(duì)地(dì)漏電(diàn)流為(wèi)0.‍↑15mA，可(kě)求得(de)Cy≈22≤™00pF。将Cy代入步驟（2）中求得(de)fR,CM值，再•§将fR,CM代入式（6）中可(kě)得(&₽de)

——差模參數(shù)選取§>↕    由式（8）可(kě)知(zhī)ε✘π≥，Cx1，Cx2，以及LD的(de)選取δ✘沒有(yǒu)唯一(yī)解，允許設計(jì)者有(yǒu)一(yī)定的(®Ω>≠de)自(zì)由度。

由圖2可(kě)知(zhī)，共模電(diàn®"λ✔)感Lc的(de)漏感Lg也(yě)可(kě)抑制(zhì)差§€↕模噪聲，有(yǒu)時(shí)為(wèi)了(le)α<簡化(huà)濾波器(qì)，也(yě)可(kě)以省去(qù)LD。經驗表λ₩Ω≠明(míng)，漏感Lg量值多(duō)為(wèi™​∑‌)Lc量值的(de)0.5％～2％。Lg可(k춶)實測獲得(de)。此時(shí)，相(xiàng)應←₹£地(dì)Cx1、Ccx2值要(yào)更大(dà)。

3、結語

本文(wén)的(de)論述是(shì)基于低(dī)通(tōng) £濾波器(qì)的(de)低(dī)頻(pín)模型分(fēn)析。$Ω由于實際元件(jiàn)寄生(shēng)參數(shù)的(de)影☆&(yǐng)響，尤其在高(gāo)頻(pín)段↓→更加顯著，因而往往需要(yào)在第一(yī)π♦λ 次确定參數(shù)之後反複修正參數(shù)，以及使用(yò×♥¶ng)低(dī)ESR和(hé)ESL的(de)電(×€↓♥diàn)容，優化(huà)繞制(zhì)磁芯的₹↓(de)材料和(hé)工(gōng)藝，逐步επ₽逼近(jìn)要(yào)求的(de)技(jì)術(shù)指标。

由于隻涉及到(dào)單級濾波器(qì)的('♠de)設計(jì)，如(rú)LC型濾波器(♣₽≠∑qì)衰減程度隻有(yǒu)40dB/dec，當要(yào)求衰減程度在60≤±φ☆～80dB以上(shàng)的(de)指标時(shí)，往往需要(♦>yào)使用(yòng)多(duō)級濾波器(qì​<♥&)。

通(tōng)用(yòng)型的(de)E<•MI濾波器(qì)通(tōng)常很(hěn)難設計(÷'£jì)，這(zhè)是(shì)由于不(→Ωbù)同的(de)功率變換器(qì)之間©<₩≥(jiān)，由于拓撲、選用(yòng)元件(jiàn)、PCB布版等原因，電 ♠γσ(diàn)磁環境水(shuǐ)平相(xiàng)差很​<"(hěn)大(dà)，再加上(shàng)阻抗匹配的(de)問(wèn)題，在×&很(hěn)大(dà)程度上(shàng)影(yǐng≥ε)響了(le)濾波器(qì)的(de)通(tōng)用(y♣εòng)性，所以，濾波器(qì)的(de)設計(jì)往往需要♥£ (yào)有(yǒu)針對(duì)性，并在實際•♦∏÷調試中逐步修正。