20170503-开关电源中的EMI滤波电感设计

开关电源中的EMI 滤波电感设计
普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士
开关电源中的功率变换器工作于高频开关方式，其输入线上的电流含有高频分量，这些高频分量对接在同一供电处的其它电子设备会产生干扰，严重时可能导致其它电子设备的正常工作，为此国际上专门制订了相关的EMI 标准，来限制各种电子设备对外产生的辐射与传导噪声。

其中最常用的传导EMI 标准有CISPR22、VDE 和FCC ，通过测试电子设备的传导EMI 来判断其是否满足相应的EMI 标准。

图1是测试开关电源传导EMI 的线路图，其中供
电电源既可以是直流，也可以是交流，图中为交流。

LISN 为测试EMI 的阻抗匹配网络，
uH L L 5021==，uF C C 1.021==，Ω==5021R R ，这个网络对于输入的低频分量，其1L 、
2L 可看作短路，1C 、2C 可看作开路，所以不影响输入到输出的功率传递；对于蓝色框内开
关电源所产生的高频分量，其1L 、2L 可看作开路，1C 、2C 可看作短路，因此开关电源输入线（线1和线2）上的高频电流分量将完全流过1R 、2R ，再将1R 、2R 上的电流信号用频谱分析仪进行测试，就可获得每一根输入线上的电流信号频谱，这些电流信号频率也被叫作传导EMI 噪声频谱，1R 、2R 就是测试传导EMI 的等效负载。

利用传导EMI 的的测试线路，可以将不加EMI 滤波器时的开关电源，所产生的噪声用图2(a)的电路等效，如果再将不加EMI 滤波器的开关电源在高频段用一个噪声电压源和三个噪声阻抗表示的话，则图2(a)的电路可以进一步用图2(b)来等效。

由图2(b)
可知，产生传导EMI
i
i (a) (b) 图2： 不加EMI 滤波器的开关电源之EMI 等效电路
的根源有三个，一个是EMI 源N v ，一个是EMI 途径1Z 、2Z 和c Z ，再一个就是EMI 的负载1R 和2R 。

等效电路中的EMI 负载是固定的50欧电阻，而变化的是EMI 源及EMI 途径。

如何确定用不同功率变换器、不同PCB Layout 、不同结构件、不同控制方式等实现的开关电源之传导EMI 等效电路是分析和设计传导EMI 滤波器的关键，同时也是指导抑制传导EMI 的有力手段。

另外如将图2(b)中每根线上的噪声电流写成下面的形式：
m cm D i i t i +=)(1 m cm D i i t i −=)(2
则每根线上的噪声就可分别转化为共模噪声cm i 与差模噪声m D i 之合成，此时的图2(b)可画成图3所示。

测试时也可用特殊的噪声分离器，先测试出共模噪声和差模噪声，然后结合没有
i )
图3： 用共模和差模表示的EMI 等效电路
EMI 滤波的开关电源之共模和差模EMI 等效电路，来分别加上合适的共模和差模EMI 滤波器，以达到EMI 标准的要求。

由此可知，传导EMI 滤波器一般可以用共模滤波和差模滤波来组成。

在开关电源中用得比较多的传导EMI 滤波器如图4所示，它由一个两阶差模滤波器和一个两阶共模滤波器组成，滤波器中的差模电容一般在0.1uF~1uF 之间，而共模电容则
L'
N'
EG
AC+
AC-
图4： 两阶EMI 滤波器的一般结构
需由安全要求决定，其值较小（通常为数千pF ）。

一旦滤波器中的电容确定后，剩下的元件就是如何设计差模电感和共模电感了。

假定在设计这两个电感之前，已通过测试和计算，获得了为满足低频段EMI 衰减要求的滤波器转折频率分别为cm f 和m D f ，
设计前将包含图4所示EMI 滤波器的开关电源EMI 测试线路重新画于图5。

对图5可分别绘制相应的EMI 差模
图5： 包含EMI 滤波器的开关电源之EMI 测试线路等效电路和EMI 共模等效电路，如图6(a)和6(b)。

下面结合图6的EMI 等效电路，分别给出差模电感和共模电感的设计方法。

(a) 差模EMI 等效电路 (b) 共模EMI 等效电路
图6：含EMI 滤波器的开关电源之EMI 等效电路
A ：EMI 差模滤波电感的设计方法
第一步：根据差模滤波器的转折频率m D f 和选择的差模电容，用下式决定差模电感的大小：
x
Dm D C f L 21
)
21(
2π= 第二步：根据输入最大有效值电流，由下式选择绕组的线径：
J
I d Lrms
π4=
(mm) 第三步：初步选择一个铁芯大小，其材料可选用导磁率不是很高的铁氧体，形状可选用环形，
并计算所选铁芯可以绕制的最大匝数：
有两个绕组，单层，每个绕组可以绕制150°到170°，故最大可绕制的匝数为：
d
d N core
π]360160[max =
匝 其中：core d 为铁芯的内径。

第四步：按下式计算该铁芯不饱和可以绕制的最大匝数：
810×=
c
m Lpeak
D D A B I L N 匝 其中：Lpeak I 为电感中流过的最大电流峰值，m B 为铁芯所允许的最大工作磁密。

如果max N N D <，且相差不是太远，则铁芯的大小是合适的；如果max N N D >，
则需另选一个大一点的铁芯进行重新设计。

第五步：计算差模电感铁芯的有效导磁率：
c
D o m
D e A N l L 2
µµ=
B ：EMI 共模滤波电感的设计方法
第一步：根据共模滤波器的转折频率cm f 和选择的差模电容，用下式决定差模电感的大小：
y
cm c C f L 1
)
21(
2π= 第二步：根据输入最大有效值电流，由下式选择绕组的线径：
J
I d Lrms
π4=
(mm) 第三步：初步选择一个铁芯大小，其材料可选用导磁率非常高的Mn-Zn 铁养体，形状可选
用环形，并计算所选铁芯可以绕制的最大匝数：
有两个绕组，单层，每个绕组可以绕制150°到170°，故最大可绕制的匝数为：
d
d N core
π]360160[max =
匝 其中：core d 为铁芯的内径。

第四步：按下式计算该电感的匝数：
L
c
c A L N 1000
= 匝 其中：c L 单位（mH ）
，L A 单位（mH/1000匝），可从铁芯手册中获得。

如果max N N c <，且相差不是太远，则铁芯的大小是合适的；如果max N N c >，
则需另选一个大一点的铁芯进行重新设计。

比较上面EMI 差模滤波电感和EMI 共模滤波电感的设计方法，可以看出它们是非常类似的，只是两种铁芯材料的选择有所不同，差模电感一般电感量较小，其最大磁密由输入电流的峰值决定，所以它的有效导磁率不能太高，一般应选择加有均匀气隙分布的铁氧体；而在共模电感中，因其输入电流及差模电流在两个绕组中所产生的磁通相互抵消，所以它的磁饱和是有共模干扰电流的幅度决定的，另外由于共模电容非常小，所以共模电感一般都会非常大，因此共模电感铁芯的选择应该是导磁率尽可能高的铁氧体材料，如Mn-Zn 铁氧体，以便在整个EMI 频段（10KHz-30MHz ）内都得到高阻抗。

再者这两个EMI 滤波电感的绕组在开关纹波不大时，均可采用单根线绕制。

在低成本的开关电源中，往往不用差模电感，而直接用共模电感的漏感来作为差模电感，此时因先按要求设计及制作好共模电感，然后通过测试，测取其漏感值)(Leak c L ，并控制漏感的大小，使其在最大输入电流峰值下不会饱和，即2)
()10×<
peak L c
c m leak c I A N B L （，最后再
按)
(21
)
21(Leak c Dm x L f C π=计算差模电容。