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电磁干扰滤波器设计原理




    摘要:在开关电源中,电磁干扰滤波器对共模和差模传导噪声的抑制起着显著的作用。在分析滤波器原理的基础上,探讨了说说对共模、差模信号进行独立分析,分别建模的方法,最后采用此提出了说说电磁干扰滤波器的设计程序。  
 
引言
 
    高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点,已经被广泛地应在工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应在交流电网的场合,整流电路往往导致输入电流的断续,这除了大大降低输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。同时,开关电源中功率开关管的高速开关动作(从几十kHz到数MHz),形成了电磁干扰(electromagnetic interference)骚扰源。从已发表的开关电源论文可知,在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰,传导干扰还会注入电网,干扰接入电网的其他设备。
 
    减少传导干扰的方法有很多, 诸如合理铺设地线,采取星型铺地,避免环形地线,尽可能减少公共阻抗;设计合理的缓冲电路;减少电路杂散电容等。除此之外,可以利用电磁干扰滤波器衰减电网和开关电源对彼此的噪声干扰。
 
    电磁干扰骚扰通常难以精确描述,滤波器的设计通常是通过反复迭代,计算制作以求逐步逼近设计规则。本文从电磁干扰滤波原理入手,分别通过对其共模和差模噪声模型的分析,给出实际工作中设计滤波器的方法,并分步骤给出设计实例。
 
1 电磁干扰滤波器设计原理
 
    在开关电源中,主要的电磁干扰骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt,因而电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带的噪声信号,其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以,传导型电磁环境(EME)的测量,正如很多国际和国家标准所规定,频率范围在0.15~30MHz。设计电磁干扰滤波器,就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。采用上述标准,通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。
 
    在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适在电力电子装置中。简言之,电磁干扰滤波器设计可以理解为要满足以下规则:
 
1)规定规则的阻带频率和阻带衰减;(满足某一特定频率fstop有需要Hstop的衰减);
 
2)对电网频率低衰减(满足规定的通带频率和通带低衰减);
 
3)低成本。
 
1.1 常用低通滤波器模型
 
    电磁干扰滤波器通常置于开关电源和电网相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器。如图1所示,噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标(fstop和Hstop)可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现,滤波器传递函数的计算通常在高频下近似,也就是说对于n阶滤波器,忽略所有ωk相关项(当k<n),只取含ωn相关项。表1列出了多种常见的滤波器拓扑及其传递函数。特别要注意的是要考虑输入、输出阻抗不匹配给滤波特点带来的干扰。  
 
 开关电源电磁干扰滤波器原理和设计分析(一)

 
图1 滤波器设计等效电路
 

表1 多种滤波器模型及传递函数开关电源电磁干扰滤波器原理和设计分析(一)

1.2 电磁干扰滤波器等效电路
 
传导型电磁干扰噪声包含共模(CM)噪声和差模(DM)噪声两种。共模噪声存在于所有交流相线(L、N)和共模地(E)之间,其产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄漏电流以及电磁场耦合等;差模噪声存在于交流相线(L、N)之间,产生来源是脉动电流,开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复特点。这两种模式的传导噪声来源不同,传导途径也不同,因而共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。
 
显然,针对两种不同模式的传导噪声,将其分离并分别测量出实际水平是十分必要的,这将有利于确定那种模式的噪声占主要部分,并相应地体现在对应的滤波器设计过程中,实现参数优化。在文献[6]和[7]中,提供了两种在区分共模和差模噪声的噪声分离器,他们能有选购地对共模或差模噪声至少衰减50dB,因而可有效地测量出共模和差模成分。分离器的原理和使用超出了本文的讨论范围,详细内容可见参考文献[6]和[7]。
 
以说说常用的滤波器拓扑〔图2(a)〕为例,分别对共模、差模噪声滤波器等效电路进行分析。图2(b)及图2(c)分别代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。分析电路可知,Cx1和Cx2只在抑制差模噪声,理想的共模扼流电感LC只在抑制共模噪声。但是,由于实际的LC绕制的不对称,在两组LC之间存在有漏感Lg也可在抑制差模噪声。Cy即可抑制共模干扰、又可抑制差模噪声,只是由于差模抑制电容Cx2远大于Cy,Cy对差模抑制可忽略不计。同样,LD既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰,但LD远小于LC,因而对共模噪声抑制作用也相对很小。 
 
 

开关电源电磁干扰滤波器原理和设计分析(一)

图2 说说常用的滤波器拓扑

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