开关电源的电磁干扰及其滤波措施

开关电源的电磁干扰及其滤波措施1引言开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。

但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰(EMI)。

EMI信号既占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰。

如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。

随着电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。

2开关电源产生EMI的原理开关电源产生EMI的因素较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素。

它们所以产生于电源装置的内部，是由于开关电源中的二级管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流，通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构、元件布局等而造成的。

基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。

这是因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流，而是变成单向脉动电源，此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。

实验结果表明，较高的谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰，使接收机等产生噪声。

变压器型功率转换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。

它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。

产生这种脉冲干扰的主要原因是：(1) 开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感。

在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的电流，它在开关管过激励较大时，将造成尖峰噪声。

这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。

(2) 由高频变压器产生的干扰。

当原来饱和的开关管关断时，变压器的漏感所产生的反电势eL=－Ldi/dt会使开关管的集-射极之间出现电压上冲。

这是因为开关管从Ton转换到Toff时，由于变压器的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，与集电极的电流变化率(di/dt)成正比，与漏感量成正比。

这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变，它是一种传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会使干扰传导返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，影响其它用电设备的安全和经济运行。

(3) 由输出整流二级管产生的干扰。

在输出整流二级管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。

其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二级管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。

对上述开关电源产生的EMI所采取的抑制措施，主要有正确选择半导体元器体、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法。

本文仅介绍滤波措施。

3抑制开关电源EMI的滤波措施滤波技术是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源EMI信号的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。

任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模干扰信号来表示。

差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地(机壳)之间传输，属于非对称性干扰。

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。

因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下。

除抑制干扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。

开关电源的工作频率约为10～100 kHz。

EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10 kHz算起。

对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果。

3.1EMI滤波器的结构及工作原理图1为开关电源EMI滤波器的基本网络结构。

图 1 开关电源EMI滤波器网络结构该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，其中L1和L2是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈LCM，L3、L4是独立的差模抑制电感。

如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1和CY，L2和CY就分别构成L-E和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。

共模滤波网络结构等效电路如图2所示，它由LCM和CY组成。

图中右边是开关电源的共模噪声等效电路，并联电容CP包括开关管集电极和地之间的分布电容，高频变压器和次级间的分布电容； RP是电流源的并联电阻。

开关电源共模噪声等效电路的源内阻ZSMPS是高阻抗容性的。

图 2 共模滤波网络结构图1中，L1，L2两个线圈所绕匝数相同、绕向相反，使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使用两只线圈的电感值保持不变。

但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1和L2的电感量是不相等的，于是，(L1－L2)形成差模电感LDM，它和L3与L4形成的独立差模抑制电感与Cx电容器又组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。

差模干扰信号等效电路如图3所示。

它由高阻抗干扰等效电路和低阻抗干扰等效电路两部分组成。

图中，开关S表示桥式整流二极管导通与否，因此高低两个等效电路是不能同时存在的；RS是分布电组，LS是分布电感，数值都很小。

为与共模情况区别，RP和CP用RP′和CP′表示。

图 3 开关电源EMI差模信号等效电路差模EMI信号滤波网络结构等效电路如图4所示。

LDM是差模电感，包含共模线圈形成的差模电感和独立的差模抑制电感；CLL是滤波网络选用的并联电容。

图4(b)与图4(a)相比，增加了一个CLL2，其数值的选择使滤波网络与负载构成失配状态。

图 4 差模滤波网络结构由于图1电路是无源网络，它具有互易性。

当它安装在系统中后，既能有效地抑制电子设备外部的EMI信号传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的EMI信号传向电网，起到同时衰减两组共模EMI信号和一组差模EMI信号的作用。

3.2 EMI滤波器选用与安装开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了2种不同的下标“X”和“Y”，不仅说明了它们在滤波网络中的作用，还表明了它们在滤波网络中的安全等级。

无论是选用还是设计EMI滤波器，都要认真地考虑CX和CY的安全等级。

在实际应用中，CX电容接在单相电源线的L和N之间，它上面除加有电源额定电压外，还会迭加L和N之间存在的EMI信号峰值电压，因此要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值，正确选用适合安全等级的CX电容器。

CY电容器是接在电源供电线L、N与金属外壳(E)之间，对于220 V，50 Hz电源，它除符合250 V峰值电压的耐压要求外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，以避免可能出现的击穿短路现象。

EMI滤波器是具有互易性的，即把负载接在电源端还是负载端均可。

在实际应用中，为达到有效抑制EMI信号的目的，必须根据滤波器两端将要连接的EMI 信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。

当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时，图5中ZS≠Zin、ZL≠Zout时，EMI信号会在其输入和输出端产生反射，增加对EMI信号的衰减。

其信号的衰减A与反射Γ的关系为：A=－10 lg(1－｜Γ｜2)图 5 滤波器工作原理电磁兼容设计的目的是在网络结构符合最大失配的原则下，尽可能合理选择元器件参数，使EMI信号衰减最大。

在使用开关电源滤波器时，要注意滤波器在额定电流下的电源频率。

在安装滤波器时，要特别注意滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离，不能把它们捆在一起走线，否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上，会大大降低滤波器的抑制效果。

具体如图1所示。

输入为交流220V，经功率二极管整流桥变为直流作为反激变换器的输入，输出为三组直流：＋5V，15V，12V，另外有一辅助电源5V，用来给光耦PC817供电。

控制电路用反馈控制，选用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。

开关电源工作时，其内部的电压和波形都是在非常短的时间内上升和下降的，因此，开关电源本身是一个噪声发生源。

开关电源的干扰按噪声源种类分为尖峰干扰和谐波干扰两种。

使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法是削弱噪声发生源，或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。

本电路中，交流输入电压Ui经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压，经电容C12平滑后变为直流，但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。

如图2所示。

由图2中电流波形可知，电流中含有高次谐波。

大量电流谐波分量流入电网，造成对电网的谐波污染。

另外，由于电流是脉冲波，使电源输入功率因数降低。

2.1 高次谐波的抑制在电路中采用共模扼流圈L11来抑制高次谐波。

对开关电源二根进线而言，存在共模干扰和差模干扰，如图3（a）及图3（b）所示。

在差模干扰信号作用下，干扰源产生的电流i，在磁芯中产生方向相反的磁通Φ，磁芯中等于没有磁通，线圈电感几乎为零。

因此不能抑制差模干扰信号。

在共模干扰信号作用下，两线圈产生的磁通方向相同，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在时的两倍。

因此，这种接法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。

电路中在电网与整流桥之间插入一共模扼流圈，该扼流圈对电网频率的差模网侧电流呈现极低的阻抗，因而对电网的压降极低；而对电源产生的高频共模噪声，等效阻抗较高，因而可以得到希望的插入损耗。

2.2 扼流圈L11与C11组成低通滤波器扼流圈L11的等效电感为L，以电源端作为输入，电网方向作为输出，则电路图如图4所示。

其传递函数幅值为如图5所示。

由此可见，以上LC网络组成的低通滤波器，可滤除ω0=1/LC11以上的高次谐波。

2.3 共模和差模滤波器方案本电路主要的EMI问题是电源噪声传入电网，将原来的共模扼流圈L11与电容C11及C12组成的滤波电路变为如图6所示电路。

L1，L2，C1可除去差模干扰，L3，C2，C3可除去共模干扰。

L1，L2为不易磁饱和的材料；C1可选陶瓷电容；L3为共模扼流圈；选定C=C2=C3及截止频率fo，则可根据L3=1/〔(2πfo)2C〕计算L3；选定C1及截止频率fo，可根据L1=L2=1/〔2(2πfo)2C1〕计算L1及L2。