開關(guān)電源輸入EMI濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：開關(guān)電源中常用EMI濾波器抑制共模干擾和差模干擾。三端電容器在抑制開關(guān)電源高頻干擾方面有良好性能。文中在開關(guān)電源一般性能EMI濾波器電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，給出了使用三端電容器抑制高頻噪聲的濾波器結(jié)構(gòu)。并使用PSpice軟件對(duì)插入損耗進(jìn)行仿真，給出了仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；EMI濾波器；三端電容器；插入損耗

1 開關(guān)電源特點(diǎn)及噪聲產(chǎn)生原因

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備種類日益增多，而任何電子設(shè)備都離不開穩(wěn)定可靠的電源，因此對(duì)電源的要求也越來越高。開關(guān)電源以其高效率、低發(fā)熱量、穩(wěn)定性好、體積小、重量輕、利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來取得快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身就會(huì)對(duì)供電設(shè)備產(chǎn)生干擾，危害其正常工作；而外部干擾同樣會(huì)影響其正常工作。開關(guān)電源干擾主要來源于工頻電流的整流波形和開關(guān)操作波形。這些波形的電流泄漏到輸入部位就成為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲，泄漏到輸出部位就形成了波紋問題?？紤]到電磁兼容性的有關(guān)要求，應(yīng)采用EMI電源濾波器來抑制開關(guān)電源上的干擾。文中主要研究的是開關(guān)電源輸入端的EMI濾波器。

2 EMI濾波器的結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源輸入端采用的EMI濾波器是一種雙向?yàn)V波器，是由電容和電感構(gòu)成的低通濾波器，既能抑制從交流電源線上引入的外部電磁干擾，還可以避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾。開關(guān)電源的干擾分為差模干擾和共模干擾，在線路中的傳導(dǎo)干擾信號(hào)，均可用差模和共模信號(hào)來表示。差模干擾是火線與零線之間產(chǎn)生的干擾，共模干擾是火線或零線與地線之間產(chǎn)生的干擾。抑制差模干擾信號(hào)和共模干擾信號(hào)普遍有效的方法就是在開關(guān)電源輸入電路中加裝電磁干擾濾波器。EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)包括共模扼流圈(共模電感)L，差模電容Cx和共模電容Cy。共模扼流圈是在一個(gè)磁環(huán)(閉磁路)的上下兩個(gè)半環(huán)上，分別繞制相同匝數(shù)但繞向相反的線圈。兩個(gè)線圈的磁通方向一致，共模干擾出現(xiàn)時(shí)，總電感迅速增大產(chǎn)生很大的感抗，從而可以抑制共模干擾，而對(duì)差模干擾不起作用。為了更好地抑制共模噪聲，共模扼流圈應(yīng)選用磁導(dǎo)率高，高頻性能好的磁芯。共模扼流圈的電感值與額定電流有關(guān)。差模電容Cx通常選用金屬膜電容，取值范圍一般在0．1～1μF。Cy用于抑制較高頻率的共模干擾信號(hào)，取值范圍一般為2200～6800 pF。常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于接地，共模電容Cy上會(huì)產(chǎn)生漏電流Ii-d。因?yàn)槁╇娏鲿?huì)對(duì)人體安全造成傷害，所以漏電流應(yīng)盡量小，通常1．0 mA。共模電容取值與漏電流大小有關(guān)，所以不宜過大，取值范圍一般為2200～4700 pF。R為Cx的泄放電阻。電源濾波器的性能很大程度上取決于其端阻抗，根據(jù)信號(hào)傳輸理論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與負(fù)載端的端接應(yīng)遵循阻抗極大不匹配原則。因此，濾波器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循：(1)源內(nèi)阻是高阻(低阻)的，濾波器輸入阻抗就應(yīng)該是低阻(高阻)；(2)負(fù)載是高阻(低阻)的，則濾波器輸出阻抗就應(yīng)該是低阻(高阻)。對(duì)EMI信號(hào)來說，電感是高阻，電容是低阻，則有圖1中的4種濾波器選用類型。

電源濾波器一般用來抑制30 MHz以下頻率范圍的噪音，但對(duì)30 MHz以上的輻射發(fā)射干擾也有一定的抑制作用。根據(jù)開關(guān)電源共模、差模干擾的特點(diǎn)。可以按干擾的分布大概劃分為3個(gè)頻段：O．15～0．5 MHz差模干擾為主；0．5～5 MHz差模、共模干擾共存；5～30 MHz共模干擾為主。

3 插入損耗

插入損耗是評(píng)價(jià)濾波器性能的主要指標(biāo)，它是頻率的函數(shù)。插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用dB表示。插入損耗越大，說明濾波器抑制干擾的能力越強(qiáng)。濾波器接入前后的電路圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。濾波器的插入損耗由式(1)表示。