EMI濾波器設計原理

高頻開關電源由於其在體積、重量、功率密度、效率等方面的諸多優點，已經被廣泛地應用於工業、國防、家電產品等各個領域。在開關電源應用於交流電網的場合，整流電路往往導致輸入電流的斷續，這除了大大降低輸入功率因數外，還增加了大量高次諧波。同時，開關電源中功率開關管的高速開關動作（從幾十kHz到數MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）騷擾源。從已發表的開關電源論文可知，在開關電源中主要存在的幹擾形式是傳導幹擾和近場輻射幹擾，傳導幹擾還會注入電網，幹擾接入電網的其他設備。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/226955.htm

減少傳導幹擾的方法有很多，諸如合理鋪設地線，採取星型鋪地，避免環形地線，儘可能減少公共阻抗；設計合理的緩衝電路；減少電路雜散電容等。除此之外，可以利用EMI濾波器衰減電網與開關電源對彼此的噪聲幹擾。

EMI騷擾通常難以精確描述，濾波器的設計通常是通過反覆迭代，計算製作以求逐步逼近設計要求。本文從EMI濾波原理入手，分別通過對其共模和差模噪聲模型的分析，給出實際工作中設計濾波器的方法，並分步驟給出設計實例。

1 EMI濾波器設計原理

在開關電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導體器件開關動作產生的dv/dt和di/dt，因而電磁發射EME(Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號，其頻率範圍從開關工作頻率到幾MHz。所以，傳導型電磁環境（EME）的測量，正如很多國際和國家標準所規定，頻率範圍在0.15～30MHz。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。基於上述標準，通常情況下只要考慮將頻率高於150kHz的EME衰減至合理範圍內即可。

在數位訊號處理領域普遍認同的低通濾波器概念同樣適用於電力電子裝置中。簡言之，EMI濾波器設計可以理解為要滿足以下要求：

1）規定要求的阻帶頻率和阻帶衰減；（滿足某一特定頻率fstop有需要Hstop的衰減）；

2）對電網頻率低衰減（滿足規定的通帶頻率和通帶低衰減）；

3）低成本。

1.1 常用低通濾波器模型

EMI濾波器通常置於開關電源與電網相連的前端,是由串聯電抗器和並聯電容器組成的低通濾波器。如圖1所示，噪聲源等效阻抗為Zsource、電網等效阻抗為Zsink。濾波器指標（fstop和Hstop）可以由一階、二階或三階低通濾波器實現，濾波器傳遞函數的計算通常在高頻下近似，也就是說對於n階濾波器，忽略所有ωk相關項（當kn），只取含ωn相關項。表1列出了幾種常見的濾波器拓撲及其傳遞函數。特別要注意的是要考慮輸入、輸出阻抗不匹配給濾波特性帶來的影響。

圖1 濾波器設計等效電路

表1 幾種濾波器模型及傳遞函數

1.2 EMI濾波器等效電路

傳導型EMI噪聲包含共模（CM）噪聲和差模(DM)噪聲兩種。共模噪聲存在於所有交流相線(L、N)和共模地(E)之間，其產生來源被認為是兩電氣迴路之間絕緣洩漏電流以及電磁場耦合等；差模噪聲存在於交流相線(L、N)之間，產生來源是脈動電流，開關器件的振鈴電流以及二極體的反向恢復特性。這兩種模式的傳導噪聲來源不同，傳導途徑也不同，因而共模濾波器和差模濾波器應當分別設計。

顯然，針對兩種不同模式的傳導噪聲，將其分離並分別測量出實際水平是十分必要的，這將有利於確定那種模式的噪聲佔主要部分，並相應地體現在對應的濾波器設計過程中，實現參數優化。在文獻[6]和[7]中，提供了兩種用於區分共模和差模噪聲的噪聲分離器，他們能有選擇地對共模或差模噪聲至少衰減50dB，因而可有效地測量出共模和差模成分。分離器的原理和使用超出了本文的討論範圍，詳細內容可見參考文獻[6]和[7]。

以一種常用的濾波器拓撲〔圖2(a)〕為例，分別對共模、差模噪聲濾波器等效電路進行分析。圖2(b)及圖2(c)分別代表濾波器共模衰減和差模衰減等效電路。分析電路可知，Cx1和Cx2隻用於抑制差模噪聲，理想的共模扼流電感LC只用於抑制共模噪聲。但是，由於實際的LC繞制的不對稱，在兩組LC之間存在有漏感Lg也可用於抑制差模噪聲。Cy即可抑制共模幹擾、又可抑制差模噪聲，只是由於差模抑制電容Cx2遠大於Cy，Cy對差模抑制可忽略不計。同樣，LD既可抑制共模幹擾、又可抑制差模幹擾，但LD遠小於LC，因而對共模噪聲抑制作用也相對很小。