開(kāi)關電(diàn)源輸入：共模電(d₽​iàn)感，X電(diàn)容，Y電(diàn)容，差摸電(diàn)感理(∞'lǐ)論計(jì)算(suàn)

在開(kāi)關電(diàn)源中，EMI∞✔ φ濾波器(qì)對(duì)共模和(hé)差模傳導噪聲的(de‌<)抑制(zhì)起著(zhe)顯著的(de)作(zuò♠→∞↓)用(yòng)。在研究濾波器(qì)原理(l✘​↑ǐ)的(de)基礎上(shàng)，探討(tǎo)了(le)一(y€‍δ♦ī)種對(duì)共模、差模信号進行(xíng)獨立分(fēn)析☆σ©，分(fēn)别建模的(de)方法，最後基于此提出了(l•♠∏e)一(yī)種EMI濾波器(qì)的(de)設計(jì)程序。

高(gāo)頻(pín)開(kāi)關電(diàn)源由于其在體(tǐ)✘±♣積、重量、功率密度、效率等方面的(de)諸多"×↓(duō)優點，已經被廣泛地(dì)應用(yòng)于工(gōng)業(yè)÷↔ ₹、國(guó)防、家(jiā)電(diàn)産¶ ∏品等各個(gè)領域。在開(kāi)關電(diàn)源應用φ∑£ (yòng)于交流電(diàn)網的(de)場(c£×hǎng)合，整流電(diàn)路(lù)往往導緻輸入電(dià÷↓n)流的(de)斷續，這(zhè)除了(le)大(dà)大 ββ(dà)降低(dī)輸入功率因數(shù)外(wài)，還(hái)增加了(‌¥le)大(dà)量高(gāo)次諧波。同時(shí)，開(kāi)關÷§★"電(diàn)源中功率開(kāi)關管的(de)高(gλ£®¥āo)速開(kāi)關動作(zuò)（從(cóng)幾十kHzΩ∏到(dào)數(shù)MHz），形成了(le)EMI（electromagε©netic interference）騷擾源。從δ♦&(cóng)已發表的(de)開(kāi)關電(diàn)源論文(wé♣αn)可(kě)知(zhī)，在開(kāi)關電(diàn£ )源中主要(yào)存在的(de)幹擾形式是(shì)傳導幹γ✘擾和(hé)近(jìn)場(chǎng)輻 ♣↕射幹擾，傳導幹擾還(hái)會(huì)注入電(diàn)網，幹擾接入電£$★$(diàn)網的(de)其他(tā)設備。

減少(shǎo)傳導幹擾的(de)方法有(yπ÷ §ǒu)很(hěn)多(duō)，諸如(rú)合理(l≠§ǐ)鋪設地(dì)線，采取星型鋪地(dì)，避±"免環形地(dì)線，盡可(kě)能(néng)減少(sδ§hǎo)公共阻抗；設計(jì)合理(lǐ)®↕Ωβ的(de)緩沖電(diàn)路(lù)；減少(shǎo)電(≤∞diàn)路(lù)雜(zá)散電(dià↕παn)容等。除此之外(wài)，可(kě)以利用(yòng)EMI→≠★濾波器(qì)衰減電(diàn)網與開(kāi)關電(diàn)源對(duì)π↕₽彼此的(de)噪聲幹擾。

EMI騷擾通(tōng)常難以精确描述，濾波器(≥→qì)的(de)設計(jì)通(tōng)常是(shì)通→¶Ω(tōng)過反複叠代，計(jì)算(suàn)制(z×♣hì)作(zuò)以求逐步逼近(jìn)設'→λ&計(jì)要(yào)求。本文(wén)從(cóng)EMI濾波原理(lǐ₹¥σ)入手，分(fēn)别通(tōng)過對(duì)其共模和∏Ω¶↕(hé)差模噪聲模型的(de)分(fēn)析​♠≤，給出實際工(gōng)作(zuò)中設計(jì)濾波✘©₩器(qì)的(de)方法，并分(fēn)♣$£步驟給出設計(jì)實例。

1、EMI濾波器(qì)設計(jì)原理(lǐ)

在開(kāi)關電(diàn)源中，主要(yào)的(d★δ<↔e)EMI騷擾源是(shì)功率半導體(tǐ)器(qì)件(jσσβiàn)開(kāi)關動作(zuò)産生(s'δ&•hēng)的(de)dv/dt和(hé)di/dt•<∑≥，因而電(diàn)磁發射EME(Electromagne↕←φ♠tic Emission)通(tōng)常是(shì)寬×₹帶的(de)噪聲信号，其頻(pín)率範圍從✔ (cóng)開(kāi)關工(gōng)作(zuò)頻(pín)率到(dàoδα)幾MHz。所以，傳導型電(diàn)磁環境（EME）的(∑✘ε₹de)測量，正如(rú)很(hěn)多(duō)國(≤εguó)際和(hé)國(guó)家(ji♠→φā)标準所規定，頻(pín)率範圍在0.15～30MHz。>€'設計(jì)EMI濾波器(qì)，就(jiù)是(shì)要(yào₩ε​)對(duì)開(kāi)關頻(pín)率及其高(gāo)次諧波的(★✘δde)噪聲給予足夠的(de)衰減。基于上(shàn>≠g)述标準，通(tōng)常情況下(xià)隻要(yào)考♣←♠$慮将頻(pín)率高(gāo)于150kHz的(d₽↓&e)EME衰減至合理(lǐ)範圍內(nèi)即可(kě)。

在數(shù)字信号處理(lǐ)領域普遍認同的(de)低€₽π(dī)通(tōng)濾波器(qì)概念同樣适用(yòng)于電(diàn↕♣♥‌)力電(diàn)子(zǐ)裝置中。簡言之，EMI濾波器(qì)設計(jì)可(kě)以理(lǐ)解ε±為(wèi)要(yào)滿足以下(xià)要(yào)≤φ≤×求：

1）規定要(yào)求的(de)阻帶頻(pín)率和(hé)阻帶衰減；（滿足某φ©&一(yī)特定頻(pín)率fstop有(yǒu)需要(yào)Hst®γop的(de)衰減）；

2）對(duì)電(diàn)網頻(pín)率低(dī™∑)衰減（滿足規定的(de)通(tōng)帶頻(pín)率和₹±£≤(hé)通(tōng)帶低(dī)衰減）；

3）低(dī)成本。

1.1、常用(yòng)低(dī)通(tōng☆∞φ )濾波器(qì)模型

EMI濾波器(qì)通(tōng)常置于開(£♦kāi)關電(diàn)源與電(diàn)網相(xià★♥λng)連的(de)前端,是(shì)由串聯電(diàn)抗器(qì)和π✔∑>(hé)并聯電(diàn)容器(qì)組成的(d↑Ω✔σe)低(dī)通(tōng)濾波器(qì)。¶☆∞如(rú)圖1所示，噪聲源等效阻抗為(wèi)Zsour✔•ce、電(diàn)網等效阻抗為(wèi)Zsink。濾波♠×←∏器(qì)指标（fstop和(hé)Hsδ top）可(kě)以由一(yī)階、二階或三階低(dī)通(t∏↕÷βōng)濾波器(qì)實現(xiàn)，濾波器(qì)傳遞函數(s™β ☆hù)的(de)計(jì)算(suàn)通(tōng)常在高(gāo)頻(píσ&λn)下(xià)近(jìn)似，也(yě)就(jφ☆iù)是(shì)說(shuō)對(duì)于n階濾波器(qì→‌)，忽略所有(yǒu)ωk相(xiàng)關項（當k<>
1.2、EMI濾波器(qì)等效電(diàn)路(lù)

傳導型EMI噪聲包含共模（CM）噪聲和(hé)差模(DM× ₽✔)噪聲兩種。共模噪聲存在于所有(yǒu)交流相(xiàng)線(Ω∞L、N)和(hé)共模地(dì)(E)之間(jiān)，其産生(sh Ω± ēng)來(lái)源被認為(wèi)是(s≥♥←→hì)兩電(diàn)氣回路(lù)之間(jiān)絕緣洩漏電λ ☆‌(diàn)流以及電(diàn)磁場(chǎng)耦合等；差模噪聲存在于交流相♥₩≥Ω(xiàng)線(L、N)之間(jiān)，産生(↔÷shēng)來(lái)源是(shì)脈動電(diàn)流，開(kāi€>)關器(qì)件(jiàn)的(de)振鈴電(diàn)流以及二極管的(de)'≥Ω反向恢複特性。這(zhè)兩種模式的(de)傳導噪聲來(lái)源不(bù)同₹♠↑，傳導途徑也(yě)不(bù)同，因而共模濾波器(qì)和(hé)差模 λ₹↓濾波器(qì)應當分(fēn)别設計(jì)。

顯然，針對(duì)兩種不(bù)同模式的(d¥‌♥∑e)傳導噪聲，将其分(fēn)離(lí)并分(fēn¥←)别測量出實際水(shuǐ)平是(shì)十分(fēn)↔ ≠必要(yào)的(de)，這(zhè)将有(yǒu)利于确定那(↓™βnà)種模式的(de)噪聲占主要(yào)部分(♠σ→fēn)，并相(xiàng)應地(dì)體(tǐ)現(xiàn)在對(duì↑∏←)應的(de)濾波器(qì)設計(jì)過程中，實現(xi&&←àn)參數(shù)優化(huà)。

以一(yī)種常用(yòng)的(de)濾波器(qì)拓撲〔圖2(a)〕為(w&✘δ₹èi)例，分(fēn)别對(duì)共模、差模噪聲濾波器('Ω‍qì)等效電(diàn)路(lù)進行(xíng)分(f$↕ēn)析。圖2(b)及圖2(c)分(fēn)♠ 别代表濾波器(qì)共模衰減和(hé)差模衰減等效電(diàn)路(l≤↔ù)。分(fēn)析電(diàn)路(l↕∑ù)可(kě)知(zhī)，Cx1和(hé)Cx2隻用(yòng)于ε≤抑制(zhì)差模噪聲，理(lǐ)想的(de)共模扼流電(diàn₩↓σ)感LC隻用(yòng)于抑制(zhì)共模噪聲。但(dàn)是♥Ω(shì)，由于實際的(de)LC繞制(zhì)的(de)不(bù)對(duδε↓ì)稱，在兩組LC之間(jiān)存在有(yǒu)漏感Lg也(yě)可(kě​☆€)用(yòng)于抑制(zhì)差模噪聲。Cy即可(kλσě)抑制(zhì)共模幹擾、又(yòu)可"♣↔(kě)抑制(zhì)差模噪聲，隻是(shδ ‌¥ì)由于差模抑制(zhì)電(diàn)容Cx2遠(yuǎn)大✔↔Ω≈(dà)于Cy，Cy對(duì)差模抑制¥✔×ε(zhì)可(kě)忽略不(bù)計(jì)。同樣，LD既可(kě)抑制(z$¥$hì)共模幹擾、又(yòu)可(kě)抑制(zhì)差模幹擾，但(dàn₹±✔ε)LD遠(yuǎn)小(xiǎo)于LC，因而對(dδ↕uì)共模噪聲抑制(zhì)作(zuò)用(yòng)也(yě>¶$×)相(xiàng)對(duì)很(hěn)小(xiǎo)'÷。

由表1和(hé)圖2可(kě)以推出，對(₹™±♣duì)于共模等效電(diàn)路(lù)，濾波器(qì)模型為¶∑¥α(wèi)一(yī)個(gè)二階LC型低(dī)通(tōn×☆☆βg)濾波器(qì)，将等效共模電(diàn≈®π)感記為(wèi)LCM，等效共模電(diàn)容記為($βwèi)CCM，則有(yǒu)

L_CM=L_C＋1/2L_D（1）

C_CM=2C_y（2）

對(duì)于差模等效電(diàn)路(lù)，≤≈€<濾波器(qì)模型為(wèi)一(yī)個(gè)三階CLC型低(dī)通(♣<tōng)濾波器(qì),将等效差模電(diàn)感記為(wèi)LDM，等效™ 差模電(diàn)容記為(wèi)CDM（令Cx1=Cx2↔ ™且認為(wèi)Cy/2<

 L_DM=2L_D＋L_g（3）

C_DM=C_x1=C_x2（4）

L_C型濾波器(qì)截止頻(pín)率計(jì)算(su ®♠àn)公式為(wèi)

将式（1）及式（2）代入式（5），則有(yε'£ǒu)

CLC型濾波器(qì)截止頻(pín)率計(jì)算(suàn)公式為(wλ>èi)

将式（3）及式（4）代入式（7），則有(yǒu)

在噪聲源阻抗和(hé)電(diàn)網阻抗均确定，且‍£δ•相(xiàng)互匹配的(de)情況下(xià)，EMI濾波器 ☆✘§(qì)對(duì)共模和(hé)差模噪聲的(de)★₽♣抑制(zhì)作(zuò)用(yòng)，如(rú)圖3所示。

2、設計(jì)EMI濾波器(qì)的(de)實際方法

2.1、設計(jì)中的(de)幾點考慮

EMI濾波器(qì)的(de)效果不(bù)但(dàn)依賴于™×♦₽其自(zì)身(shēn)，還(hái)與噪聲源阻抗及電(diàn)網阻抗有©♣(yǒu)關。電(diàn)網阻抗Zsink通(tōng∑£→‍)常利用(yòng)靜(jìng)态阻抗補償網絡(LISN)來(lái)校(φ>∑​xiào)正，接在濾波器(qì)與電(diàn)網之間(jiān)≠→，包括電(diàn)感、電(diàn)容和(hé)一(yī)個(gè↔≠©§)50Ω電(diàn)阻，從(cóng)而保✔≥證電(diàn)網阻抗可(kě)由已知(zhī)标準求出。而EM£¥​$I源阻抗則取決于不(bù)同的(de)變換器(qì)拓撲形式。≥♥

以典型的(de)反激式開(kāi)關電(diàn)源為(wèi☆↑≠♦)例，如(rú)圖4（a）所示，其全橋整流電(diàn)路(lù)電(d€$§iàn)流為(wèi)斷續狀态，電(diàn)流電(diàn)壓波形如(rú)₹↕©∑圖5所示。對(duì)于共模噪聲，圖4(b)所示Zsource可​≈₹≠(kě)以看(kàn)作(zuò)一(yī©←≈)個(gè)電(diàn)流源IS和(hé)一(yī)個(gè)高(g↕₩āo)阻抗ZP并聯；圖4(c)中對(duì)于差模噪聲，取決于整>δ★流橋二極管通(tōng)斷情況，Zsou©¥rce有(yǒu)兩種狀态：當其中任意兩隻二極管導通(tōng)時(sh∑₩↔✘í)，Zsource等效為(wèi)一(yī)個(gè)電(diàn)壓源VS¶δ♣與一(yī)個(gè)低(dī)值阻抗ZS串連；當二極管≠ 全部截止時(shí)，等效為(wèi)一(yī)個(gè)♥₹₩$電(diàn)流源IS和(hé)一(yī)個(gè)高(gāo)阻抗ZP→γ并聯。因而噪聲源差模等效阻抗Zsource以2倍工(€☆•gōng)頻(pín)頻(pín)率在上(shàng)述兩種ε★α狀态切換。


在前述設計(jì)過程中，EMI濾波器(qì)元件(jiàn)（電(diàn♦ →φ)感、電(diàn)容）均被看(kàn)作(zuò)是(shì)γ♦£理(lǐ)想的(de)。然而由于實際元件​'"→(jiàn)存在寄生(shēng)參數(shù)，比如(rú)電(d♥δiàn)容的(de)寄生(shēng)電(diàn)感，電(diàn)感間(j¥±↓iān)的(de)寄生(shēng)電(diàn)容，以及PCB闆布 €↑£線存在的(de)寄生(shēng)參數(shù)，實際的(de)高(g∑™♦āo)頻(pín)特性往往與理(lǐ)想元件(÷ ←✘jiàn)仿真有(yǒu)較大(dà)的(de)差異。這(zhè)涉及₽≠↔®到(dào)EMC高(gāo)頻(pín)建模等諸多(du"✔ō)問(wèn)題，模型的(de)參數(shù)往往較難确定，所以，♥>↓ε本文(wén)僅考慮EMI濾波器(qì)的(de)低(dī)頻(pín)抑制(↑​zhì)特性。故ZS及ZP取值與這(zhè)些(xiē&​ )寄生(shēng)電(diàn)容、電(diàn)感以及整流橋等'±☆∑效電(diàn)容等寄生(shēng)參數(shù)有(yǒu)關，"✘直接采用(yòng)根據電(diàn)路(lù)拓撲及¶'參數(shù)建模的(de)方案求解源阻抗難以實現(xiàn)，因而，在設€∏≠>計(jì)中往往采用(yòng)實際測量Zsource。

2.2、實際設計(jì)步驟

EMI濾波器(qì)設計(jì)往往要(y₩σào)求在實現(xiàn)抑制(zhì)噪聲的(de)¥≠₽同時(shí)，自(zì)身(shēn)體(tǐ)積要(yào)盡可(kě)能‌♥(néng)小(xiǎo)，成本要(yào)盡∑§$可(kě)能(néng)低(dī)廉。同時(shí)，濾波效果也(yě)取決于★¶‍實際的(de)噪聲水(shuǐ)平的(de)高(gāo)低(dī)，<δ≠"分(fēn)析共模和(hé)差模噪聲的(de)幹擾權重，為(wèi)此 €©，在設計(jì)前要(yào)求确定以下(xià)參量，以實現(xiàn)>© ¶設計(jì)的(de)優化(huà)。

1）測量幹擾源等效阻抗Zsource和(hé)電(diàn)網₽✔✔等效阻抗。實際過程中往往是(shì)依靠理₹εו(lǐ)論和(hé)經驗的(de)指導，先α☆作(zuò)出電(diàn)源的(de)P>¥φCB闆，這(zhè)是(shì)因為(wèi)共模、差模的(de)噪聲源和↓±♠(hé)幹擾途徑互不(bù)相(xiàng)同，電(diàn)路(lù)闆走線‌↑≥"的(de)微(wēi)小(xiǎo)差異都(π€↕Ωdōu)可(kě)能(néng)導緻很(hěn)大(dà)EME變化(hu♠<©‌à)。

2）測量出未加濾波器(qì)前的(de)幹擾噪聲頻('₩pín)譜，并利用(yòng)噪聲分(fēn)離(lí)器(qì)将共模噪聲₹>Ω$VMEASUREE,CM和(hé)差模噪聲Vmeasure,CM分(fēn)離σ♦(lí)，做(zuò)出相(xiàng)應的(de)幹擾頻(pín)譜。

接著(zhe)就(jiù)可(kě)以進行(xíng)實際的(de)設計(j₽δì)了(le)，仍以本文(wén)中提出的(de> ×)濾波器(qì)模型為(wèi)例，步驟如(rú)下( πxià)。

（1）依照(zhào)式（9）計(jì)算(suàn)濾䧀©波器(qì)所需要(yào)的(de)共模、差模衰減，并做(zuò)出曲≠£♣¶線Vmeasure，CM－f和(hé)V≤φmeasure，DM－f，其中Vmeasure✔♠&β，CM和(hé)Vmeasure，DM已經測得(de)，Vsta>☆‌ndard，CM和(hé)Vstandard，DM可(kě)參照(zhào<α÷)傳導EMI幹擾國(guó)标設定。加上(shàng)3dB的×≈ &(de)原因在于用(yòng)噪音(yīn)分(fēn)離®<β"(lí)器(qì)的(de)測量值比實際值要(yào)大(dà)3dB₹ε。

(V_req,CM)dB=(V_measure,CM)－(V_standard,CM)＋3dB

(V_req,DM)dB=(V_measure,DM)－(V_standard,DM)＋3dB（9）

（2）由圖3可(kě)知(zhī)，斜率分(fēn)别為(w¶<φèi)40dB/dec和(hé)60dB/dec的(βπde)兩條斜線與頻(pín)率軸的(de)交點即為(wèi)fR,CMπ☆和(hé)fR，DM。作(zuò)Vmea λsure，CM－f和(hé)Vmeasure，DM$≤$－f的(de)切線，切線斜率分(fēn)别為(wèi)40dB/dec和(h♦<♥£é)60dB/dec，比較可(kě)知(↔↑zhī)，隻要(yào)測量他(tā)們與頻(pín)率軸的(de)交點Ω​，即可(kě)得(de)出fR,CM和(hé)fR，DM，圖6所示為(↑‌wèi)其示意圖。

（3）濾波器(qì)元件(jiàn)參數(shù)設計(jì)

——共模參數(shù)的(απde)選取    Cy接在相(✔→xiàng)線和(hé)大(dà)地(dì)之§ ± 間(jiān)，該電(diàn)容器(qì)容量過大(dà)将<π₹會(huì)造成漏電(diàn)流過大(dà)，安全性降低(dī)。對↓©↔♥(duì)漏電(diàn)流要(yào)求越小(xiǎo)越好(hǎoφ₽)，安全标準通(tōng)常為(wèi)幾百μA到(dà®♥↓o)幾mA。

EMI對(duì)地(dì)漏電(diàn)流Iy計(jì)算(suàn) ε公式為(wèi)

 I_y=2πfCV_c（10）

式中：f為(wèi)電(diàn)網頻(pín)率。σ☆

在本例中，Vc是(shì)電(diàn)容Cy上(shàng)→♣的(de)壓降，f=50Hz，C=2Cy≠©> ，Vc=220/2=110V，則 

若設定對(duì)地(dì)漏電(diàn)​λ流為(wèi)0.15mA，可(kě)求得(de±φ>α)Cy≈2200pF。将Cy代入步驟（↕•2）中求得(de)fR,CM值，再将fR,CM"∏§代入式（6）中可(kě)得(de)

——差模參數(shù)選取 &•₹×₩nbsp;  由式（8）可(kě)知(zhī)，Cx1，Cx2，以¥‍∑÷及LD的(de)選取沒有(yǒu)唯一(yī)解λ×¥，允許設計(jì)者有(yǒu)一(yī)定的(de)自(zì)由度。

由圖2可(kě)知(zhī)，共模電(diàn)感Lc的★€ε (de)漏感Lg也(yě)可(kě)抑制(zhì)差♠λ✔≠模噪聲，有(yǒu)時(shí)為(wèi)了(le)簡✘™ 化(huà)濾波器(qì)，也(yě)可(kě)以省✘€πλ去(qù)LD。經驗表明(míng)，漏感Lg量值多(duδ§λō)為(wèi)Lc量值的(de)0.5₩β％～2％。Lg可(kě)實測獲得(de)•§。此時(shí)，相(xiàng)應地(dì)<♣Cx1、Ccx2值要(yào)更大(dà÷™©)。

3、結語

本文(wén)的(de)論述是(shì)基©™÷于低(dī)通(tōng)濾波器(qì)的(de)低(dī)頻←→ (pín)模型分(fēn)析。由于實際元件(jiàn)寄生&'∞★(shēng)參數(shù)的(de)影(yǐng)響，尤其在高¶÷‌(gāo)頻(pín)段更加顯著，因而往往需要(yà♠•‌★o)在第一(yī)次确定參數(shù)之後反複修正參數(shù)，以及使用€↓¥↑(yòng)低(dī)ESR和(hé)ESL的(de)電(diàn)容，優化 ♠(huà)繞制(zhì)磁芯的(de)材料和(h™∑≤∞é)工(gōng)藝，逐步逼近(jìn)要(yào)求的(de)技(jì)術 <✔≈(shù)指标。

由于隻涉及到(dào)單級濾波器(qì)的(de)設計(jì)，如(rú)♠₩∑γLC型濾波器(qì)衰減程度隻有(yǒu)40dB/dec，當要(yào♣•)求衰減程度在60～80dB以上(shàng)的(de)指标時(sλ‍∑hí)，往往需要(yào)使用(yòng)多®&(duō)級濾波器(qì)。

通(tōng)用(yòng)型的(de)EMI濾波器(q>✘εì)通(tōng)常很(hěn)難設計(jì)，這(zhè)是(shì ♣​<)由于不(bù)同的(de)功率變換器(qì)之間(j≠★iān)，由于拓撲、選用(yòng)元件(jiàn)、P¥€CB布版等原因，電(diàn)磁環境水(shuǐ)平相( γ±♥xiàng)差很(hěn)大(dà)，再加上(shàng)阻抗匹配的£→(de)問(wèn)題，在很(hěn)大Ω•↑×(dà)程度上(shàng)影(yǐng)響了(l≤λ♣♦e)濾波器(qì)的(de)通(tōng)用(yòng)性，所以，濾波器(q★↔ ∏ì)的(de)設計(jì)往往需要(yào)有(yǒu)針對(duì)性↕♦ε，并在實際調試中逐步修正。