开关电源EMI滤波器的设计

郑真福

（69026部队69分队，新疆 乌鲁木齐 830092）

1 开关电源EMI滤波器原理

开关电源及相关电子设备处于开关状态时，均会在电源设备输入端出现终端噪声，进而产生传导、辐射干扰，甚至进入交流电网内，对其他电子设备造成干扰[1]。在EMI滤波器输出阻抗、负载阻抗数值存在一定差异时，端口会出现反射（反射与阻抗差值成正比），同时在EMI滤波器两端阻抗均与外部阻抗不为一个相同的数值时，则EMI滤波器信号在其输出端、输出端均会产生一定反射，实现EMI滤波器对电磁干扰信号的衰减。具体衰减效果与EMI滤波器固有插入损耗、反射损耗具有较为紧密的联系。基于此，可以通过EMI滤波器阻抗的正确连接获得尽可能大的反射，促使EMI滤波器在较宽频率范围内造成较大的阻抗失配，进而提高EMI滤波器抑制开关电源电磁干扰性能。

2 开关电源EMI滤波器的设计原则

2.1 电路结构选取原则

考虑到在开关电源EMI滤波器实际应用阶段，两端阻抗大多处于失配状态，EMI信号极易在滤波器输入端、输出端产生反射。基于失配值与反射成正比原则，在源阻抗为高阻抗时可以设置EMI滤波器输入阻抗为低阻抗[2]。在负载阻抗为高阻抗时，设置EMI滤波器输出阻抗为低阻抗，保证EMI滤波器电感始终为高阻，电容为低阻，以达到较为满意的EMI噪声抑制效果。

2.2 电感线圈设计原则

EMI滤波器共模线圈主要用磁芯包括U形、环形、E形等，材料多为铁氧体。由于环形磁芯磁路较长，可以在圈数较少时获得较大电感量，因此在大电流小电感量开关电源EMI滤波器设计时，可以优先选择环形磁芯。但在不需考虑所需噪声衰减效果时，需要优先考虑线圈泄露磁通较小的E形磁芯；而在差模电感线圈设计时，由于粉压磁芯适用频率在几十千赫兹到几百千赫兹之间，具有较为优良的直流重叠特性，因此在大电流应用时应优先选择金属粉压磁芯作为差模电感。

2.3 电容器设计原则

开关电源EMI滤波器主要使用差模电容、共模电容两种电容器，其在EMI滤波器中作用及安全等级要求均具有较大差异[3]。其中在差模电容设计时，考虑到其需要在额定交流电压增设的基础上进行交流进线间存在多种类型EMI峰值电压叠加，因此，应选择高耐瞬态峰值电压、高耐压、高安全等级（X2类）的电容器；而在共模电容设计时，考虑到其需要在开关电源线进线口、机壳地间连接，应优先选择电气、机械性能上安全余量较大，且额定频率电压下漏电流在安全范围值以下的电容器，以便在击穿短路事故发生时设备机壳不带电或带有较小的电流。

3 开关电源EMI滤波器的设计

3.1 设计要求

在数字信号处理领域，普遍认同的开关电源EMI滤波器需要满足规定要求的阻带频率、阻带衰减（即某一特定频率具有所需筛选）、良好滤除谐波分量效果、规定的通带频率及通带低衰减（对电网频率低衰减）、输入直流分量不造成衰减、成本低、滤波时不干扰电源带负荷能力等要求[4]。基于上述要求，应尽可能减小EMI滤波器的输入导纳、输出阻抗（为0或接近于0）。此外，在低频时，反向电流增益、正向电压增益设计值应尽可能为1。

考虑到EMI滤波器效果不仅依赖于自身，而且受电网阻抗、噪声源阻抗影响，而电网阻抗大多利用连接在EMI滤波器、电网间的静态阻抗补偿网络（含50 Ω电阻、电感、电容）进行校正。以典型反激式开关电源为例，其全桥整流电路电流均处于断续状态，共模噪声可以看做一个电流源与高阻抗并联，此时整流桥二极管通断情况是差模噪声主要决定因素。而共模噪声具有两种状态，在任意两二极管导通的情况下共模噪声可等效为一电压源、低值阻抗串联，反之则可等效为两者并联，且噪声源差模等效阻抗可以两倍的工频频率，在共模噪声两状态中灵活切换。基于此，可将开关电源EMI滤波器看做一理想滤波器，仅考虑开关电源EMI滤波器的低频抑制特性，直接采用实际测量共模噪声的方法确定寄生参数。

3.2 设计流程

根据上述开关电源EMI滤波器设计要求，应在考虑实际噪声水平的基础上，对共模噪声、差模噪声干扰权重进行测量[5]。从基本结构上进行分析，开关电源EMI滤波器是一个由几种参数元件构成的四端无源网络，包括差模电感、共模电感线圈、共模电容、差模电容器几个部分，若将EMI滤波器网络放入电源输出端，则共模电感线圈与共模电容可以构成交流进线上若干对独立端口的低通滤波器，衰减开关电源交流进线上存在共模干扰噪声，并对共模干扰噪声、开关电源设备间通道造成一定约束。而共模电感线圈可以用于进行开关电源交流进线上共模噪声衰减，其大多在闭合磁路铁氧体磁芯上同向卷绕数量一致的匝数与开关电源电路连接，在共模电感线圈内开关电源电流所产生磁通可以相互抵消，且线圈电感值在共模状态下处于一个稳定不变的较大值，避免磁芯引起的磁通饱和；而差模电感线圈、差模电容器则可以构成开关电源进线独立端口间低通滤波器，以便给开关电源交流进线上差模干扰噪声提供一个约束力，避免开关电源及相关设备受到噪声干扰。由此可知，开关电源EMI滤波器具有双向性能，通过将EMI滤波器插入开关电源、电网间，可以在两者间EMI噪声处增设一阻断屏障，达到双方向抑制EMI噪声的目的。

首先，进行干扰源等效阻抗共模噪声、电网等效阻抗的测量。在实际设计时，需要在理论知识、专业经验指导下，进行电源PCB板制作，从共模噪声、差模噪声源、干扰途径差异入手，进行精确测量。

其次，进行没有增加EMI滤波器前开关电源干扰噪声频谱测量，并利用噪声分离器，将共模噪声、差模噪声分离。随后进行共模噪声、差模噪声干扰频谱制作。在这个基础上，根据公式进行计算：

在具体计算过程中，测量共模噪声及差模噪声均已测得，标准共模噪声及差模噪声可以参考传导EMI干扰国标设定值。而考虑到用于开关电源噪声分离器测量值均较实际值大3 dB，因此需要加上3 dB。

最后，开关电源EMI滤波器元件参数设计。在共模参数选取时，考虑到其容量超标极易导致漏电流过大，因此应依据公式（3）进行对地漏电流Iy核算，具体公式为：

其中，Cy为电容，f、Vc分别为电网频率（50 Hz）、电容压降（110 V）。基于此，若设定Iy为0.160 mA，则电容大约为2 300 pF，将电容数值代入式（3）中，可以获得共模噪声值。同理，在差模参数选取时，设定漏感量值超出共模电感量值0.60%～1.90%。

3.3 安装应用

考虑到开关电源EMI滤波器在实际应用时需要在外壳、系统地间具有良好电气连接，因此，为避免接地线过长导致接地电阻、电感增加，应尽可能缩短接地线长度，将EMI滤波器尽可能与开关电源入口处接近。此外，在EMI滤波器内电容器引线设置时，应尽可能缩短电容器引线，避免引线感抗、容抗在低频率环境中出现谐振。在这个基础上，应尽可能增加EMI滤波器输入线、输出线间距离，避免两者间出现耦合，应用后效果如图1所示。

图1 EMI滤波器应用后噪声变化

由图1可知，开关电源EMI滤波器是一种有效的传导干扰抑制手段，其是一种无源低通互易性滤波器，可以无衰减将交流电传输至开关电源，降低随交流电流入EMI噪音及电源设备产生EMI噪音。

4 结 论

开关电源中采用EMI滤波器不仅可以防止外来电磁噪声干扰电源设备本身控制电路及负载运行，而且可以抑制开关电源本身产生的EMI或由其他设备产生经电源传播的EMI，保证开关电源及相关设备安全运行。基于此，相关人员可以根据开关设备特征，从共模、差模传导入手，结合EMI滤波器原理，进行开关电源EMI滤波器的恰当设计，并使用尽可能短的电容器引线，将开关电源EMI滤波器安装在适当位置，保证EMI滤波器优良效用的充分发挥。