抑制开关电源高频噪声的电磁干扰滤波器设计方法_张逸成

抑制开关电源高频噪声的电磁干扰滤波器设计方法
张逸成　苏　丹　朱学军　姚勇涛
(同济大学电气工程系,200331,上海∥第一作者,教授,博士生导师)
摘　要　介绍了电磁干扰滤波器的基本结构,构成滤波器的元器件以及插入损耗的计算方法。

通过理论计算,对标准情况和实际电磁兼容测试情况下滤波器的插入损耗进行了比较。

并通过试验验证,在抑制高频噪声时,可直接参考滤波器在50/50Ψ标准情况下的插入损耗。

关键词　开关电源,电磁干扰滤波器,插入损耗
中图分类号　T N713+.92
Design of EMI Filter for Suppressing High Frequency Electro-magnetic Emissions
Z hang Yicheng,Su Dan,Zhu Xuejun,Yao Yong tao
A bstract　T his paper presents the basic structure,components and insertion loss of EM I filters,calculates the insertion losses under the standard condition or under the practical electro mag-netic compatibility(EM C)test.A fter the v erification through EM C test,this paper comes to the conclusion that the inser tio n loss of EM I filter under the50/50Ψstandard condition can serve as a good reference for suppressing hig h frequency electro-magnetic emission.
Key words　switch mode power supply,electromagne tic inter-ference filter,insertion loss
First-author's address　Depar tment of Electrical Engineering, T ongji U niversity,200331,Shanghai,China
0　前言
开关电源由于在体积、重量、效率等方面的优点,已经广泛地应用在城市轨道交通的电子电路中。

但由于开关电源中开关器件的快速通断,开关电源在工作的同时通过电源线对外发射传导性电磁干扰,使城市轨道交通控制系统和电源系统所处的电磁环境非常恶劣。

所以,有必要使用电磁干扰(Electromagnetic Interference,简为EM I)滤波器对这些电磁噪声进行抑制,以保证车载设备的正常工作。

本文分析了构成滤波器的元器件,研究了EMI 滤波器插入损耗的计算方法,提出了抑制高频噪声时的滤波器选用方法。

1　EMI滤波器的插入损耗
根据产生的机理不同,开关电源向电源线上发射的电磁噪声中同时存在着差模干扰和共模干扰。

电源EM I滤波器需要同时抑制这两种噪声。

电源EM I滤波器的典型结构如图1所示。

图中,L CM是共模扼流圈,和电容C Y一起用于抑制共模噪声; L DM是差模扼流圈,和电容C X一起用于抑制差模噪声;源端即开关电源;负载端是电网。

图1　滤波器基本结构
EMI滤波器的作用是抑制开关电源对外发射的传导干扰。

对于电源线上的差模和共模噪声,EMI滤波器的等效电路是不一样的,如图2、3所示。

图2　
滤波器抑制差模干扰的等效电路
图3　滤波器抑制共模干扰的等效电路
根据图2、3,可以用参数A ij来描述滤波器在这
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　第9期学术专论　
D OI:10.16037/j.1007-869x.2007.09.017
两种情况下的插入损耗[1]。

L I=20lg A11Z1+A12+A21Z s Z1+A22Z s
Z s+Z1
(1)
式中:Z s为噪声源阻抗;Z1为负载阻抗。

根据图2,得到差模情况下滤波器的A ij参数为:
A11A
12 A21A22=
1+Z2Y3Z2
Y1+Y1Z2Y3Y1Z2
(2)
Y1,Z2和Y3分别为:
Y1=
1
2Z CY
,Z2=2Z DM,Y3=
1
Z CX
(3)
同样,共模情况下滤波器的A ij参数为:
A11A12
A21A22
=
1Z2
Y1Y1Z2+1
(4)
Y1和Z2分别为:
Y1=
2
Z CY
,Z2=Z CM+
Z DM
2
(5)
式中:Z CX、Z CY分别为C X与C Y的阻抗;Z DM为
L DM的阻抗;Z CM为L CM的阻抗。

在计算插入损耗时,差模和共模情况下,滤波器
的A ij参数是不一样的。

同时,差模和共模情况下,
噪声源阻抗和负载阻抗也是不一样的。

对于商用的EM I滤波器,厂商提供了源和负载
阻抗为50/50Ψ情况下的插入损耗曲线。

但是在实
际的工作情况下,滤波器两端的源阻抗和负载阻抗
都不会稳定在50Ψ
;工作过程中滤波器的性能跟厂
商提供的数据有所不同,因此有必要对噪声源阻抗
和负载进行分析。

在进行电磁兼容测试时,在开关电源和电网之
间插入两个人工电源网络(LISN),接收机通过人工
电源网络测量电源线上的传导噪声。

测试电路如图
4所示。

图4　开关电源传导发射的测试电路
从图4可以看出,对差模电流而言,两个人工电
源网络是串联,即差模情况下的负载阻抗是100Ψ。

对共模电流,两个人工电源网络是并联,即在共模情
况下的负载阻抗是25Ψ。

EM I滤波器设计的目的
是要通过传导发射测试,由于电磁兼容标准规定了
人工电源网络的使用,就为试验提供了稳定的负载
阻抗。

根据式(1),在A ij参数和Z l已知的情况下,只
要有噪声源阻抗(Z s)的数据就可计算插入损耗。

在
实际情况中,Z s是随时间变化的,同时要精确地对
其测量也比较困难。

文献[2]中有关于开关电源噪
声源阻抗的测量方法。

两种噪声产生的机理不同,
差模情况下的噪声源阻抗跟开关电源的电路结构有
关。

由文献[2]中的测试结果可看出,差模情况下的
源阻抗可等效为一个电阻和电感的串联,并且在电
磁兼容测试的频率范围内,阻抗都比较小,典型值在
10Ψ以下。

共模干扰的产生是由于开关电源与地
之间的分布电容,共模干扰的源阻抗是一个电容值
较小的电容,其典型值在100pF以下[3]。

在源阻抗和负载阻抗已知的情况下,可以选择
电感线圈和电容器来构建EM I滤波器。

并且可以
通过相应的数据手册获得电感和电容的具体数值
,
再用式(1)计算滤波器的插入损耗。

2　EMI滤波器的元器件
2.1　电容器
如果不考虑电容器的非线性因素,电容器的等
效电路如图5所示。

图5　电容器等效电路
电容器的阻抗为:
Z C=R C+jωL+
1
jωC
(6)
式中:R C为电容器的等效串联电阻;L为电容器的
等效串联电感。

理想电容器的阻抗随频率的增加而线性减小。

而在实际情况中,当频率达到电容器的谐振频率时,
电容的阻抗达到最小,超过谐振频率,电容器阻抗随
频率的增加而增加。

2.2　电感器
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34
·
城市轨道交通研
究2007年　
电感器的等效电路如图6所示。

图6　电感器等效电路
电感器的阻抗为:
Z L =
R L +j ωL 1-ω2
LC +j ωR L
(7)
式中:R L 为电感器的等效串联电阻;C 为电感器的并联电容。

理想电感器的阻抗随频率的增加而线性增加。

由于并联电容的存在,在达到谐振频率以上,电感器的阻抗会递减。

对于电容器,可通过数据手册得到电容量以及等效串联电阻、等效串联电感的数据。

对于电感器,可通过数据手册得到电感量和等效串联电阻值。

由于电感的并联电容是分布在绕线与绕线之间的,其频率特性比较复杂,所以电感器的等效电路模型没有电容器的等效电路模型精确。

电感器的并联电容值并没有给出,一般通过电感的谐振频率f c ,用公式C =1/4π2f 2c L 来计算。

3　插入损耗的理论值计算
本节选取滤波器用电容和电感的典型值,分别计算在源、负载阻抗都为50Ψ以及在电磁兼容测试情况下的插入损耗,以进行比较。

电容和电感的具体参数如表1、2所示。

表1　电容的具体参数[1]
C /nF
L /nH R C /m ΨX 电容10020.780Y 电容
4.7
13.5
300
表2　电感的具体参数
L /μH
C /pF R L /m Ψ共模电感3502.01
300差模电感
64
40
由于所参考的差模线圈具有很好的高频特性,其谐振频率高于100MH z ,在计算时不考虑其并联电容。

根据标准CISPR 17(International Special Com -mittee on Radio Interference ,国际无线电干扰特别
委员会)的规定,在进行滤波器差模和共模情况下的插入损耗测量时,源、负载阻抗都是50Ψ。

在传导发射测试时,对于差模噪声,源阻抗的典型值Z s =8Ψ,Z l =100Ψ(两个人工电源网络的串联);对于共模噪声,源阻抗取典型值C s =60pF ,Z l
=25Ψ(两个人工电源网络的并联)。

通过计算得到在两种不同情况下滤波器的差模和共模的插入损耗,如图7、8所示。

图7　
滤波器在差模情况下的插入损耗
图8　滤波器在共模情况下的插入损耗
从图7、8可以看到,对于差模噪声,在高频时,电磁兼容测试情况下的插入损耗比50/50Ψ情况下
的插入损耗低。

对于共模噪声,电磁兼容测试情况下的插入损耗在高频时比50/50Ψ高,但在频率较低处会出现负的插入损耗,成为插入增益。

从以上理论计算结果可以看出,电磁兼容测试
情况下滤波器的插入损耗同50/50Ψ情况下的插入损耗是有差别的。

在低频段,两种情况下插入损耗相差较大;在高频段,两种情况下插入损耗的曲线虽
然存在一定的差值,但图形还是比较吻合。

所以,滤波器高频段时的插入损耗,可直接参考50/50Ψ情况下由厂商提供的数据,而不用通过测试噪声源阻抗再来计算电磁兼容测试情况下的插入损耗。

当然,在选用时需要考虑两者间的差值。

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第9期
学术专论　
4　测试结果
综上所述,如果在电磁兼容试验时,噪声超标主要发生在高频段,那么进行滤波器设计时,就可参考滤波器生产厂商提供的50/50Ψ情况下的插入损耗曲线,选用在高频段插入损耗更大的滤波器对噪声进行抑制。

图9　开关电源传导发射试验结果
图9所示是开关电源的传导发射试验结果。

图9(a )中,电源线上的传导噪声在高频段比较容易超
标,而低频段的噪声得到了很好的抑制,所以在更换滤波器时可以把重点放在高频段的插入损耗,选取
高频时插入损耗更大的滤波器再进行试验。

图9(b )为更换滤波器之后得到的传导发射曲线,高频段的噪声得到了更好的抑制,而低频段的噪声由于离限值有很大的裕量,所以也没有超标。

这样就不用通过复杂的测量和计算来设计滤波器。

5　结语
EMI 滤波器结构简单,但要对开关电源的传导噪声有很好的抑制效果,通常还需要复杂的测试和计算。

通过理论分析,EMI 滤波器在抑制频率较高的噪声时,可以直接参考50/50Ψ情况下滤波器的插入损耗,而不用进行复杂的测试。

这样,可以降低滤波器设计时的工作量,有助于提高轨道交通电子设备的电磁兼容性。

参考文献
[1]　Kostov K S ,Sj öroos J P ,Kyy r äJ J ,et al .Selection of pow er filters
for s w itched mode pow er suppl ies [C ]∥Nordic W orkshop on Pow er and Industrial El ectronics Conference .Norw ay :NT NU Norw egian University of S cience and Technology ,2004:28.[2]　Zhang D B ,Chen D Y ,Nave M J ,et al .M easurement of noise
sou rce impedance of off -l ine converters [J ].IEEE Trans on Power Electronics ,2000,15(5):820.
[3]　M ardiguian M ,Raimbourg J .An alternate ,compl ementary method
for characterizing EM I filters [J ].IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibil ity ,1999,2(6):882.
(收稿日期:2007-04-27)
上海外围拟建低价停车场,
驾车者可换乘轨道交通进入市中心
在9月10日上海市人大举办的“优化公共交通大家谈”上,针对市民反映的停车难问题,市人大代表、市城市交通管理局副局长五一透露,在建的上海轨道交通9号线、11号线在开通时将同步启用停车场,以利于驾车者停车换乘。

五一介绍,拥有私家车的市民越来越多,停车也越来越困难,但并不是说建更多的停车场就能够解决这个问题;尤其在中心区,更多的停车场会吸引更多的车辆,造成这个地区更严重的拥堵。

前一段时间提高道路停车收费,也是为了在一定程度上控制进入中心区的车辆。

但是,五一也表示,在外围区,尤其在和轨道交通的联结点上,政府应该修建更多低收费的停车场,让市民能够在那里停车换乘。

他透露,现在正在建设的9号线、11号线已经在进行这方面的实践,在轨道交通开通时停车场同步启用。

(摘自2007年9月11日《东方早报》,记者俞立严报道)
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究
2007年　。