开关电源滤波器设计

开关电源滤波器设计（一）

一、前言

传导EMI 是由电源、信号线传导的噪声，连接在同一电网系统中的设备所产生的EMI会经过电源线相互干扰，为了对传到EMI进行抑制，通常在设备宇电源之间加装滤波器，本文主要探讨开关电源的EMI滤波器设计方法。

二、开关电源的传到EMI来源与组成

开关电源的噪声包含有共模和差模两个分量，此两分量分别是由共模电流和差模电流所造成的。图一所示为共模电流和差模电流的关系图，其中LISN 为电源传输阻抗稳定网络，是传导性EMI 量测的重要工具。在三线式的电力系统中，由电源所取得的电流依其流向可分为共模电流和差模噪声电流。其中，共模噪声电流ICM 指的是Line、Neutral 两线相对于接地线(Ground)之噪声电流分量，而差模噪声电流IDM 指的是直接流经Line 和Neutral两线之间而不流经过地线之噪声电流分量。

开关电源图一共模电流和差模电流之关系图

在Line 上，共模噪声电流和差模噪声电流分量是以向量和的关系结合，而在Neutral 上，共模噪声电流和差模噪声电流分量则是以向量差的关系结合，两者的关系以数学式表示如下：

其中，为流经Line 之总噪声电流，为流经Neutral 之总噪声电流。

为了有效抑制噪声，我们必须针对噪声源的产生及其耦合路径进行分析。共模噪声主要是由电路上之Power MOSFET(Cq)、快速二极体(Cd)及高频变压器(Ct)上之寄生电容和杂散电容所造成的，如图二所示。而差模噪声则由电源电路初级端的非连续电流及输入端滤波大电容(CB)上的寄生电阻及电感所造成，如图三所示。

图二共模电流耦合路径

图三差模电流耦合路径

开关电源滤波器设计（二）

三、EMI 滤波器的基本架构

本文所使用的EMI 滤波器的架构如图四所示，其中的元件包含了共模电感(LC)、差模电感(LD)、X 电容(CX1、CX2)、Y 电容(CY)，以下将对各元件作一一介绍：

图四EMI滤波器的架构

1 共模电感(CM inductor)：

共模电感是将两组线圈依图五的绕线方式绕在一个铁心上，这种铁心一般是

采用高值的Ferrite core，由于值较高，故电感值较高，典型值是数mH 到数十mH 之间。图五上的绕线方式会使差模电流相互抵消，故对差模而言不具有电感的效果，也不易使铁心饱和。反之对共模电流而言，其所产生的磁通会加倍，所以具有电感的效果。一般而言，耦合电感均有漏电感，因此，绕组对差模电流所产生的磁通无法完全抵消，这对差模噪声的衰减将会有所效用。另一方面对共模电流而言，因为磁通无法完全加倍，这将使得共模电感值降低。

共模电感的漏感量测方式如图六所示，将两绕组其中一端连接，由另一端量

图五共模电感图六共模电感的漏感测量法

测电感值，此量测到的感值即是共模电感的漏感量，可表示成2(LC-M)，其中M表示两绕组之间的互感。

在滤波器中共模电感的两个绕组是并联的，以图七为例，理想上，上下两线圈所产生的磁通量是图八的两倍，由于电感的定义是L=φ/I，其中是磁通链(Flux linkage)，I 是线圈电流，故上下两线圈的各别感值是图八的两倍，不过两者又是并联，并联后的感值将和图七相同，故等效的共模电感是LC 而不是LC/2。

图七测量共模电感的两线圈图八测量共模电感的一个线圈

2. 差模电感(DM inductor)：

差模电感必须流过交流电源电流，一般是采用值较低的铁粉心(Iron powdercore)，由于值较低所以感值较低，典型值是数十uH 到数百uH 之间。

3.X 电容：

X 电容是装在L、N 之间，一般是选用高容值的金属膜电容，容值由0.1uF 到1uF。

4. uY 电容：

Y 电容是装在L-G、N-G 之间的电容，通常以成对、相等的容值对称的出现在滤波器上，其大小必须要符合安规的限制。

开关电源滤波器设计（三）

四、EMI 滤波器之CM、DM等效电路推导及衰减度的评估

在本文推导等效电路的过程当中，我们把CM电感的漏电感部分，全部并入DM 电感LD 当中。其CM 和DM 等效电路的绘制方法如下：

1. CM 的等效电路:

欲求图四EMI 滤波器之CM 等效模型，其步骤如下：

a. 将所有的X 电容消去，如图九所示。

干扰源图九EMI滤波器的CM等效模型之一

b.以接地点为对称点将电路对折，其等效CM 电感量等于尚未对折电路之电感量，而DM 电感由于并联的关系，其等效电感量为原本的一半，而Y 电容的等效电容并联成尚未对折电路的两倍，LISN 提供的二个50Ω负载并联成25Ω的等效负载，如图十所示。

干扰源图十EMI滤波器的CM等效模型之二

2. DM 等效电路：

欲求图四之EMI 滤波器DM 等效模型推导步骤如下：

a.拿下所有的接地点，简化串联的Y 电容，如图十一。

b.将CM 电感取掉，再将DM 电感放到一边，使其为原来的二倍，如图十二。接着我们决定：

干扰源图十一EMI滤波器的DM等效模型之一

干扰源图十二EMI滤波器的DM等效模型之二

1. CM 部份的衰减度

图十中的CM 噪声若为开关电源，则可以将其等效成一个电流源，如图十三所示。一般而言，我们习惯以电压变数来观察电路的特性，因此我们运用电路理论中的"互易定理"(Reciprocity theorem)将其转换成如图十四所示的电路。由图十四很容易可以看出它是一个二阶的LC 滤波器，其衰减度是以40dB/dec的斜率增加的，如图十五所示，其转折频率为：

所以当噪声分离器量到CM 噪声后，便可以决定元件值来计算衰减度以压抑噪声。

图十三CM的等效电路

图十四互易定理后之CM等效电路