EMI滤波器电路原理及设计
开关电源EMI滤波器原理与设计
EMI滤波器的分类
按安装位置分类
可以分为输入EMI滤波器和输出EMI滤波器。输入EMI滤波器安装在电源输入 端，用于抑制电网中的电磁干扰；输出EMI滤波器安装在电源输出端，用于抑 制电源对负载的电磁干扰。
按元件分类
可以分为无源EMI滤波器和有源EMI滤波器。无源EMI滤波器主要由电感和电容 组成，有源EMI滤波器则增加了运算放大器等电子元件。
THANKS
感谢观看
工业控制
如PLC、伺服驱动、传感器等。
汽车电子
如发动机控制、刹车控制等。
案例一：某型号电源的EMI滤波器设计
背景介绍
某型号电源在运行过程中出现了严重 的EMI干扰问题。
设计方案
采用EMI滤波器对电源输出端的干扰 进行抑制。
设计细节
根据电源的输出阻抗特性和干扰频率 ，选择合适的滤波器元件和结构。
实验验证
提高效率
优化电路拓扑结构，以提高电源的效率。例如， 采用同步整流、软开关等技术。
降低电磁干扰
合理设计电路拓扑结构，降低开关电源本身产生 的电磁干扰。
改进元件布局和布线
优化元件布局
合理安排各个元件的位置，以减小它们之间的相互干扰。
合理布线
优化线路布局，减小电流回路的大小和复杂度，以降低线路的电 感和电阻。
样品制作阶段
制作滤波器样品，并进行初步 的测试和验证。
批量生产阶段
在生产线上进行批量生产，并 进行持续的测试和验证。
应用现场阶段
在实际使用现场进行应用和验 证，确保滤波器的性能和效果
符合设计要求。
06
开关电源EMI滤波器应用 与案例分析
应用领域
电力电子设备
如电源、逆变器、变频器等。
EMI 滤 波 器 原 理 与 设 计 方 法 详 解
EMI 滤 波 器 原 理 与 设 计 方 法 详 解输入端差模电感的选择输入端差模电感的选择：：1. 差模choke 置于L 线或N 线上，同时与XCAP 共同作用F=1 / (2*π* L*C)2. 波器振荡频率要低于电源供给器的工作频率，一般要低于10kHz 。
3. L = N2AL （nH/N2）nH4. N = [L （nH ）/AL(nH/N2)]1/2匝5. AL = L （nH ）/ N2nH/N26. W =（NI ）2AL / 2000µJ输入端共模电感的选择输入端共模电感的选择：：共模电感为EMI 防制零件，主要影响Conduction 的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI 特性及温升，以同样尺寸的Common Choke 而言，线圈数愈多(相对的线径愈细)，EMI 防制效果愈好，但温升可能较高。
传导干扰频率范围为0.15～30MHz ，电场辐射干扰频率范围为30～100MHz 。
开关电源所产生的干扰以共模干扰为主。
产生辐射干扰的主要元器件除了开关管和高频整流二极管还有脉冲变压器及滤波电感等。
注意：1. 避免电流过大而造成饱和。
2．Choke 温度系数要小，对高频阻抗要大。
3．感应电感要大，分布电容要小。
4．直流电阻要小。
B = L * I / (N * A) (B shall be less than 0.3)L = Choke inductance. I = Maximum current through choke. N = Number of turns on choke.A = Effective area of choke. (for drum core, can approximate with cross section area of center pole.)假设在50KHZ 有24DB 的衰减则，共模截止频率Fc = Fs*10Att/4 0 = 50*10-24/40=12.6KHZ 电感值L= (RL*0.707)/(∏*Fc) = (500.707)/(3.14*12.6) = 893uH使用磁芯和磁棒作滤波电感时应注意自身的阻抗，对于共模电感不能使用低阻抗的磁芯和磁棒，否则会造成炸机现象。
开关电源EMI滤波器原理与设计研究
被动式EMI滤波器主要通过电感和电容的组合来实现干扰的吸收和抑制。而主 动式EMI滤波器则通过在信号线上加入特殊的电子器件来消除干扰。
EMI耗
额定电压是EMI滤波器的重要参数之一，它 表示滤波器可以承受的最大电压值。
插入损耗是指EMI滤波器接入电路后，对信 号传输造成的影响。插入损耗越小，说明滤 波器的性能越好。
群时延
温度系数
群时延是指滤波器对信号传输时间的影响。 群时延越小，说明滤波器的传输速度越快。
温度系数是指EMI滤波器在温度变化时，其 性能变化的程度。温度系数越小，说明滤波 器的稳定性越好。
02
开关电源EMI滤波器设计基 础
EMI滤波器电路拓扑结构
1 2
共模滤波电路
用于减小电源线上共模噪声，包括电阻、电容 和电感等元件。
抑制共模噪声
通过采用共模扼流圈等元件，可以抑制共模噪声，提高滤波 器的性能。
抑制差模噪声
采用差模扼流圈等元件，可以抑制差模噪声，提高滤波器的 性能。
EMI滤波器与整流器的配合设计
整流器与滤波器的配合设计
整流器输出的波形对EMI滤波器的性能有很大影响，因此需要合理设计整流 器与滤波器之间的电路连接方式，以减小整流器对EMI滤波器性能的影响。
2023
《开关电源emi滤波器原理 与设计研究》
目录
• 开关电源EMI滤波器概述 • 开关电源EMI滤波器设计基础 • 开关电源EMI滤波器优化设计 • 开关电源EMI滤波器性能评估 • 开关电源EMI滤波器设计实例 • 结论与展望
01
开关电源EMI滤波器概述
EMI滤波器的定义和作用
EMI滤波器定义
整流器与滤波器的参数匹配
EMI滤波器设计
关键词：EMI滤波器；阻抗失配原则；插入损耗；源阻抗
中图分类号: TN03
文献标识码: B
Design of EMI filters
Wu Xiaojun , Qin Kaiyu , Tang Bo ( institute of astronautics & aeronautics，University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731 )
0 引言
随着电子技术的发展，电磁兼容性问题成为电路设计 工程师极为关注和棘手的问题。大家普遍认为电磁兼容性 标准中最重要的也是最难解决的两个问题就是传导发射和 辐射发射。本文研究的重点是传导干扰。传导干扰主要包 括设备信号线传导干扰、接地线共地阻抗干扰，以及电源
线传导干扰，其中电源线传导干扰的抑制非常重要但又最 为薄弱。根据噪声的传播路径，抑制电磁干扰的途径可以有： 削弱干扰源的能量，切断噪声耦合路径，提高设备对电磁 干扰的抵抗能力。目前抑制干扰的措施大多是设法切断电 磁干扰和受扰设备之间的耦合通道，EMI 滤波器就是其中 一种行之有效的方法。
2.1.1 测量并分离原始噪声
测量噪声的设备包括线路阻抗稳定网络 (LISN )、噪声 分离器 (Noise Separator)、频谱分析仪 (Spectrum Analyzer )、 计算机和被测设备 (EUT) 几个部分，设备的连接如图 5 所示。
被测设备的 EMI 噪声由 LISN 提取后，经过噪声分离 器将噪声分离为共模、差模两部分，分离网络的输出信号 即研究所需的独立的 CM、DM 信号输入至频谱分析仪，而 后由诊断软件对从频谱分析仪传送到计算机的信号进行处 理，计算机可以方便显示和储存噪声频谱图。
EMI滤波器原理
EMI 滤波器原理插入损耗，共模干扰，差模干扰在测试传导干扰时候，应用的频段为 150KHz~ 30MHz ,当电子设备干扰 噪声频率小于30MHz 时，主要干扰音频频段，电子设备的电源线对于这类波长的 电磁波来说，一般还不足一个波的波长（30MHz 波长为10米），向空中辐射效率 很低。
噪声主要是通过导线传播，若能测得电源线上感应的噪声电压，就能衡量 这一频段的电磁噪声干扰程度，这类噪声也就是传导噪声，在测试传导干扰时候， 应用的频段为150KHz~ 30MHz 。
传导噪声由差模噪声和共模噪声构成。
差模噪声存在于相线 L 和中线N 之 间（也可视为存在于L 与地线（PE ）, N 与地线（PE ）之间，大小相等，相位差 180° ）;共模干扰噪声存在于L 与PE ，N 与PE 之间，大小相等，相位相同。
1插入损耗为了更好的设计滤波器，我们应用插入损耗这个概念，其定义为在未加入和 加入滤波器干扰源对负载的电压的比，然后取对数，定义如下图：信号<b)图1、插入损耗定义图当未接EMI 滤波器时，接收机测得信号源的输出电压为 曰，将EMI 滤波器 接入之后，接收机测得的信号电压为 E 2，如果信号源的输出阻抗等于接收机的 输入阻抗，例如都是50 Q,则EMI 滤波器的插入损耗为：各种滤波器的插入损耗如下图:图2 :波器的阶数与插入损耗的关系I L =20lg'Ei匹fe10fc lOOfc lOODfc由上图可以看出，随着滤波器阶数的上升，其插入损耗也跟着增加，实际上, 每增加一阶，插入损耗相应会增加 6 dB/倍频2、共模噪声( common mode interference)A、电路等效：功率噪声是电源中影响最大的一种噪声，其等效图如下：图加共模干扰等救电路討其等效电路为一个有并联电容C P和并联电阻R P的电流源，呈高阻抗容性。
在反激电源中，如图4，当开关管V i由导通变为截止时，其集电极电压升高，向开关管与散热器的分布电容(可达几千pF)C P1充电，形成共模电流(I cml+|cm2)，在LISN中被检测出来。
EMI滤波器电路原理及设计
EMI滤波器电路原理及设计EMI滤波器（Electromagnetic Interference Filter）是一种用于抑制电磁干扰的电路。
电磁干扰是指电子设备之间相互干扰产生的电磁辐射或者干扰信号，会对设备的正常操作和性能产生负面影响。
EMI滤波器通过选择性地传递或者屏蔽指定频率范围内的信号，从而实现对电磁干扰的抑制。
一般来说，低通滤波器是指可以通过低于其中一特定频率的信号，而对高于该特定频率的信号进行滤波的电路。
低通滤波器常用于消除高频电磁干扰。
一个常见的低通滤波器电路是RC滤波器，由电容器和电阻器组成。
电容器对于高频信号具有很大的阻抗，从而将高频信号绕过电路，实现滤波作用。
选择合适的电容和电阻大小可以实现对于特定频率的信号滤波。
相比之下，高通滤波器是指可以通过高于其中一特定频率的信号，而对低于该特定频率的信号进行滤波的电路。
高通滤波器常用于消除低频电磁干扰。
一个常见的高通滤波器电路是RL滤波器，由电感器和电阻器组成。
电感器对于低频信号具有很大的阻抗，从而将低频信号绕过电路，实现滤波作用。
选择合适的电感和电阻大小可以实现对于特定频率的信号滤波。
除了RC和RL滤波器，还有其他各种类型的EMI滤波器电路，比如LC滤波器、二阶滤波器、传输线滤波器等，可以根据具体应用的需求进行选择和设计。
在EMI滤波器电路的设计中，首先需要确定需要滤波的频率范围，然后根据频率范围选择合适的滤波器类型。
其次，需要根据滤波器的阻抗特性和传输线的特性来选择适当的元件值。
还需要注意电路的功率和电流容量，以确保电路能够在正常工作范围内工作。
在实际应用中，EMI滤波器电路通常需要与其他电路结合使用，比如与电源、传输线路、信号线路等进行连接。
因此，需要特别注意电路的布局和接线，以减少电磁干扰的传播路径。
总之，EMI滤波器电路是一种用于抑制电磁干扰的重要电路，通过选择性地传递或者屏蔽指定频率范围内的信号，实现对电磁干扰的抑制。
在设计EMI滤波器电路时，需要根据具体应用需求选择合适的滤波器类型，并根据电路的阻抗特性和传输线的特性选择适当的元件值。
EMI滤波器的设计原理及参数计算方法
EMI滤波器的设计原理随着电子设备、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。
特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高(几百伏至几千伏)、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰，常使人防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视。
电磁干扰滤波器(EMI Filter)是近年来被推广应用的一种新型组合器件。
它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。
1 电磁干扰滤波器的构造原理及应用1.11 构造原理电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达150MHz。
根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。
这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。
若从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。
串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。
因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。
此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。
1.2 基本电路及典型应用电磁干扰滤波器的基本电路如图1所示。
该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。
电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容C1~C4。
Ｌ对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。
它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。
EMI滤波器电路原理及设计
EMI滤波器电路原理及设计引言开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优点被广泛应用于电力电子设备系统中，但是开关电源易受到电磁干扰，产生误动作，且本身的高频信号也会引起大量的噪声，会污染电网环境，干扰同一电网其他电子设备的正常工作。
这样就对EMC提出了更高的要求指标。
分类：开关电源中的电磁干扰（EMI）主要有传导干扰和辐射干扰。
通过正确的屏蔽和接地系统设计可以得到有效的控制，对于传导干扰来说，加装EMI滤波器，是一种比较经济有效的措施，辐射干扰的抑制可以通过加装变压器屏蔽铜片。
EMI滤波器介绍开关电源与交流电网相连，尽管开关电源是一个单端口网络，但具有相线（L），零线（N），地线（E）的开关电源实际上形成了两个AC端口，所以噪声源在实际分析中可以将其分解为共模和差模噪声源。
火线（L）与零线（N）之间的干扰叫做差模干扰（属于对称性干扰），火线（L）与地线（E）之间的干扰叫做共模干扰（非对称性干扰）。
在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。
开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
1.开关电源的EMI干扰源开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
（1）功率开关管功率开关管工作在On-O ff快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。
（2）高频变压器高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。
（3）整流二极管整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高 dv/dt，从而导致强电磁干扰。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
EMI滤波器电路原理及设计
引言
开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优点被广泛应用于电力电子设备系统中，但是开关电源易受到电磁干扰，产生误动作，且本身的高频信号也会引起大量的噪声，会污染电网环境，干扰同一电网其他电子设备的正常工作。
这样就对EMC提出了更高的要求指标。
分类：
开关电源中的电磁干扰（EMI）主要有传导干扰和辐射干扰。
通过正确的屏蔽和接地系统设计可以得到有效的控制，对于传导干扰来说，加装EMI滤波器，是一种比较经济有效的措施，辐射干扰的抑制可以通过加装变压器屏蔽铜片。
EMI滤波器介绍
开关电源与交流电网相连，尽管开关电源是一个单端口网络，但具有相线（L），零线（N），地线（E）的开关电源实际上形成了两个AC端口，所以噪声源在实际分析中可以将其分解为共模和差模噪声源。
火线（L）与零线（N）之间的干扰叫做差模干扰（属于对称性干扰），火线（L）与地线（E）之间的干扰叫做共模干扰（非对称性干扰）。
在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。
开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
1.开关电源的EMI干扰源
开关电源的EMI干扰源集中体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。
（1）功率开关管
功率开关管工作在On-O ff快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。
（2）高频变压器
高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。
（3）整流二极管
整流二极管的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高 dv/dt，从而导致强电磁干扰。
（4）PCB
准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。
2.开关电源EMI传输通道分类
（一）。
传导干扰的传输通道
（1）容性耦合
（2）感性耦合
（3）电阻耦合
a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合
b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合
c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合
（二）。
辐射干扰的传输通道
（1）在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析；二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子；
（2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）；
（3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。
3.开关电源EMI抑制的9大措施
在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。
实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：
（1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局；
（2）通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。
分开来讲，9大措施分别是：
（1）减小dv/dt和di/dt（降低其峰值、减缓其斜率）
（2）压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压
（3）阻尼网络抑制过冲
（4）采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI
（5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术
（6）采用合理设计的电源线滤波器
（7）合理的接地处理
（8）有效的屏蔽措施
（9）合理的PCB设计
4.高频变压器漏感的控制
高频变压器的漏感是功率开关管关断尖峰电压产生的重要原因之一，因此，控制漏感成为解决高频变压器带来的EMI首要面对的问题。
减小高频变压器漏感两个切入点：电气设计、工艺设计！
（1）选择合适磁芯，降低漏感。
漏感与原边匝数平方成正比，减小匝数会显著降低漏感。
（漏感就是将所有次级绕组和所有辅助绕组短路，测的得原边电感值。
）
（2）减小绕组间的绝缘层。
现在有一种称之为“黄金薄膜”的绝缘层，厚度20～100um，脉冲击穿电压可达几千伏。
（3）增加绕组间耦合度，减小漏感。
（层叠绕制、混合绕制这个问题可以询问变压器制造商）
5.高频变压器的屏蔽
为防止高频变压器的漏磁对周围电路产生干扰，可采用屏蔽带来屏蔽高频变压器的漏磁场。
屏蔽带一般由铜箔制作，绕在变压器外部一周，并进行接地，屏蔽带相对于漏磁场来说是一个短路环，从而抑制漏磁场更大范围的泄漏。
高频变压器，磁心之间和绕组之间会发生相对位移，从而导致高频变压器在工作中产生噪声（啸叫、振动）。
为防止该噪声，需要对变压器采取加固措施：
（1）用环氧树脂将磁心（例如EE、EI磁心）的三个接触面进行粘接，抑制相对位移的产生；
（2）用“玻璃珠”（Glass beads）胶合剂粘结磁心，效果更好。
EMI 滤波器对于干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL(Insertion Loss)来衡量。
定义：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB （分贝）表示。
常见的EMI 电路结构
L1
L1
L2
L2
CX1
CX2
CY1
CY2
CX3
AC_L
AC_N
R
图 1
L1
L1
CX1
CX2
AC_L
AC_N
R
电容、电感的选取原则
一般的EMI 滤波器中有两组电容，即跨接在电源线之间起差模抑制作用的X 电容和接在电源线和地之间起共模抑制作用的Y 电容。
对于X 电容其额定电压应和电网电压相当，其容量可以选的大一些，典型值~1uF 。
对于Y 电容取值允许的情况下越大越好，但如果Y 电容时效会导致人员电击，所以对其最大漏电电流Ig 有限制，Ig 的大小由产品规定，一般为~8mA 。
Y 电容的最大容量可用公式计算
(Nf)
Um 电网电压 V
Fm 电网频率 Hz Ig 漏电电流 Ma
另外，为了获得较好的高频特性、降低高频等效串联电阻和等效串联电感，X 电容和Y 电容通常都是通过几个较小的电容并联来满足其容量要求。
L1
L1
CX1
CY1
CY2
AC_L
AC_N
CY4
CY3
L 1L 1
CX1CX2CY1
CY2
A C_L
A C_N
对于滤波器中的共模或差模扼流圈一般情况下要自己动手设计。
电感的取值和材料的选取原则：1、磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz ，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。
2、磁导率高，但实际中很难满足这一要求，所以。
磁导率往往分段考虑。
磁芯材料一般为铁氧体。
共模的在~5mH,差模的在10~50uH 。
设计实例一
电源系统频率在50kHz ，要求宽电压输入85V~265V ，其在截至频率时衰减到= 求算电感的值：
-24=40lg （Fc/Fosc ） 计算Fc=
()
mH mH F C L C 6.1556.121
2
≈=⨯⨯=
π mm I
D R 3.04
13.1≅⨯= 取漆包线的电流
密度4~6A /mm2
取I R =
(min)
(max )
2Vin PF Po ⨯⨯η=395mA
使用0.3mm 的线绕满工字形电感，容量>。