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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城市轨道交通研

究2007年