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。

（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。I L=dB P1

P2=10lg P1

P2

P1=

V12

R L

I L=10lg v12

v22

=20lg

v1

v2

常见的EMI电路结构

图1

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0.05uF~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0.5~8mA。Y电容的最大容量可用公式计算C Y=I g

U m×2πf m

×106(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。