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第
37
卷 第
1
期 光 与 红 外
激
2007
年
1
月
LASER
&
I FRARED
N
文章编号
: 1001
2
5078 ( 2007 ) 01
2
0079
2
03
Vol 37, No. 1
.
January, 2007
开关电源电磁干扰滤波器设计
李
,
½文忠
鹏
(
华北光电技术研究所
,
北京
100015 )
摘
:
文章首先分析了开关电源电磁干扰问题产生的原因及种类
,
然后深入分析了
EM I
滤
要
波器的设计原理
,
最后用实例验证了理论的正确性 。
关键词
:
电磁干扰
;
滤波器
;
开关电源
中图分类号
: TN713
文献标识码
: B
Research on the E I F ilter of the Sw itchin g M ode
M
Power Supply
(North China Research Institute of Electro
2
tics, Beijing 100015, China )
op
Abstract:
In this paper, first of all, the category and causes of the s itching mode power supp ly EM I are analyzed.
w
Second, the theory of EM I filter is analyzed. The end, there is a examp le to show the effect of the EM I filter
.
Key words:
EM I; filter; the s itching mode power supp ly
w
1
引 言
开关电源的特点是频率高 、
效率高 、
功率密度高
和可靠性高 。然而由于其开关器件工½在高频通断
状态
,
½得电磁干扰
( EM I)
非常严重 。
防电磁干扰主要有三项措½
,
即屏½ 、
滤波和接
地 。往往单纯采用屏½不½提供完整的电磁干扰防
护
,
唯一的措½就是加滤波器
,
切断电磁干扰沿信
号线或电源线传播的路径
,
与屏½共同构成完美的
电磁干扰防护 。
2
开关电源
EM I
的产生机理
开关电源产生的干扰
,
按噪声干扰源种类来分
,
可分为尖峰干扰和谐波干扰两种
;
若按耦合通路来
分
,
可分为传导干扰和辐射干扰两种 。现在按噪声
干扰源来分别说明
:
( 1 )
开关管 。½开关管流过大的脉冲电流时
,
一般会½成矩½波
,
该波½产生的短路电流流经的
导线及这种脉冲电流流经的变压器和电感产生的电
磁场½可½成噪声源
;
( 2 )
高频变压器 。½原来导通的开关管关断
时
,
高频变压器产生关断电压尖峰
,
从而½成传导干
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L I Peng, HE W en
2
zhong
扰
;
( 3 )
电容 、
电感器和导线 。开关电源由于工½
在较高频率
,
会½½频元器件特性发生变化
,
由此产
生噪声
;
( 4 )
其他原因
,
例如外部输入电源的干扰
,
以及
3
传导
EM I
抑制
电源本身工½环境的½响 。
3. 1
传导
EM I
简介
½开关电源的谐波电平在高频段
(
频率范围
30MHz
以上
)
时
,
表现为辐射干扰
,
而½开关电源的
谐波电平在½频段
(
频率范围
0. 15
½
30MHz)
表现
为传导干扰 。
传导干扰电流按照其流动路径可以分为两类
:
开关电源的差模干扰和共模干扰分布在不同的
一类是差模干扰电流
,
另一类是共模干扰电流 。
频段
:
½者简介
:
李
( 1983 - ) ,
男
,
硕士研究生
,
主要从事红外图
鹏
收稿日期
: 2006
2 2
修订日期
: 2006
2 2
08 29;
09 05
像处理研究 。
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80
激 光 与 红 外 第
37
卷
在截止频率范围内大致可分成
3
个频段
:
在
0. 5MHz (
也有人认为在
0. 1MHz)
以下
,
主要是以抑
制差模干扰为主
;
在
0. 5MHz
至
1MHz (
或
0. 1MHz
至
1MHz)
范围内
,
差模和共模干扰共存
;
在
1MHz
至
30MHz
范围内主要是以抑制共模干扰为主
3. 2
EM I
滤波器设计理论
3. 2. 1
EM I
滤波器的插入损耗
[1]
3. 2. 2
EM I
滤波器阻抗分析
EM I
滤波器主要用于抑制进出设备的电磁干
扰
,
具有双向抑制性 。
由
3. 2. 1
小节的分析可知
,
要½
EM I
滤波器对
EM I
信号有最½的衰减效果
,
则滤波器阻抗应与电
。
源阻抗失配
,
失配越厉害
,
实现的衰减越理想
,
得到
的插入损耗特性就越½ 。
根据上述的原理
,
选用
EM I
滤波器结构应遵循
下列原则
:
( 1 ) EM I
滤波器的串联电感要接到½阻抗源或
½阻抗负½½
;
( 2 ) EM I
滤波器的并联电容要接到高阻抗源或
高阻抗负½½ 。
3. 2. 3
EM I
滤波器的½络结构研究
插入损耗是滤波器重要的技术性½参数之一 。
设计
EM I
滤波器时考虑的中心问题是
,
在保证滤波
器满足有关标准要求的前提下
,
实现½可½高的插
入损耗 。
开关电源
EM I
滤波器的基本½络结构如图
3
所示 。
V
s
为噪声源
, Z
s
为噪声源阻抗
, Z
1
为噪声的负½½阻抗
图
1
未接滤波器时
图
3
滤波电路基本结构
图
3
中差模抑制电容为
CX1
和
CX2,
共模电感
为
L1,
共模抑制电容为
CY1
和
CY2
。
滤波器是由电感和电容组成的½通滤波电路所
图
2
接入滤波器时
构成 。由于干扰信号有差模和共模两种
,
因此滤波器
要对这两种干扰½具有衰减½用。其基本原理为
:
( 1 )
利用电容通高频隔½频的特性
,
将电源正
极、
电源负极高频干扰电流导入地线
(
共模
) ,
或将
电源正极高频干扰电流导入电源负极
(
差模
) ;
( 2 )
利用电感线圈的阻抗特性
,
将高频干扰电
如图
1
和图
2
所示
,
接入滤波器前后输出电压
之比即为插入损耗
IL:
IL
=V
2
′
2
/V
在分析和设计
EM I
滤波器时
,
为了方便起见
,
经常采用参数
A
ij
对其四端½络特性进行描述
,
即
:
V
1
=
A
11
V
2
+
A
12
I
2
I
1
=
A
21
V
2
+
A
22
I
2
流反射回干扰源 。
3. 2. 4
共模电感分析
3. 2. 4. 1
共模电感工½原理
由此可以得到插入损耗为
:
IL
=
V
2
′
2
=
( A
11
Z
1
+
A
12
+
A
21
Z
s
Z
1
+
A
22
Z
s
) /
/V
( Z
s
+
Z
1
)
如图
4
所示
,
共模电感是在同一个磁环上由绕
向相反 、
匝数相同的两个绕组构成 。通常½用环½
磁芯
,
具有漏磁小 、
效率高等特点 。½电流在两个绕
组中流过时为一进一出
,
产生的磁场恰½抵消
,
½得
共模电感对电流不起任½阻碍½用 。如果共模噪声
电流通过共模电感
,
这种共模噪声电流是同方向的
,
流经两个绕组时
,
产生的磁场同相叠加
,
½得共模电
感对干扰电流呈现出较大的感抗
,
由此起到了抑制
共模干扰的½用
[2]
插入损耗要½可½增大
,
即½可½增 大信 号
的反射 。如果设电源的输出阻抗和与之端接的滤
波器的输入阻抗分别为
Z
s
和
Z
1
,
噪声源为
V
s
,
根
据信号传输理论
,
½
Z
s
≠
Z
1
时
,
在滤波器的输入
端口会发生反射
,
反射系数
P
=
( Z
s
-
Z
1
) / ( Z
s
+
Z
1
) ,
既
Z
s
与
Z
1
相差越大
,
反射系数就越大
,
插入
损耗就越大
[
3
]
。
。
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激 光 与 红 外
No. 1
2007
李 鹏 ½文忠
开关电源电磁干扰滤波器设计
81
12V ,
功率为
25W
。
本滤波电路采用电源模块前后各加一级的方
μ
式 。其中共模电容为
0. 01 F,
差模电容为
6800pF,
共模电感采用锰
-
锌铁氧½
,
每路绕
31
匝
,
电感量
为
3. 7mH
。
4. 2
滤波结果
图
4
共模电感的基本结构
在示波器带½为
20MHz
时
,
测得的滤波前后纹
波分别为
50mV
和
5mV ,
如图
6
和图
7
所示 。
实际½用中共模电感两个电感绕组由于绕制工
艺的问题会存在电感差值
,
不过这种差值正½被利
用½差模电感 。所以
,
一般电路中不再设½独立的
差模电感 。
共模电感的漏感测量方式如图
5
所示
,
将两绕
组其中一端连接
,
由另一端测量电感值
,
此测量到的
感值即是共模电感的漏感量 。
:
以上纹波均在
80%
纯阻性负½½下测得 。
注
4. 3
小 结
由于
EM I
问题的复杂性和特殊性
,
不同型号开
关电源的电磁干扰是不一样的
,
采用同一种
EM I
滤
图
5
共模电感的漏感测量
波器也不可½对所有的开关电源取得同样的滤波效
果
,
因此我们非常有必要掌握
EM I
滤波器的设计
,
以取得较½的滤波效果 。
5
结 语
3. 2. 4. 2
共模电感材料的选择
制½共模电感
,
选用½种磁芯材料
,
除了必须注
意防止磁芯饱和问题外
,
还应该考虑到磁芯的恒磁
导特性
,
½电感额定电流较大时
,
电感量是否减少
,
减少到什么程度
,
会不会达到饱和 。
在绕制共模电感时
,
一般采用锰
-
锌铁氧½ 、
镍
-
锌铁氧½和微晶磁芯 。
3. 2. 4. 3
共模电感值的计算
电磁兼容是一个十分复杂的问题
,
在应 用开
关电源时
,
应对电源可½的电磁干扰问题进行充
分估计 。本文首先对开关电源
EM I
的产生进行了
阐述
,
然后重点分析了
EM I
滤波器的设计原理
,
尤
其是对其中起很重要½用的共模电感进行了详细
的说明
,
最后在上述理论的指导下
,
设计了针对某
一型号开关电源的
EM I
滤波电路
,
并取得了较½
的效果 。
参考文献
:
[1]
凯瑟
.
电磁兼容性原理
[M ].
肖华庭
,
等译
.
北京
:
电子
电感值的计算有三种方法
,
分别介绍如下
:
( 1 )
已知电感系数
A
L
, L
=
N
2
×
L
;
A
(
2
)
已知相对磁导率 μ
, L
=
N
μμ
A
e
/ l
r
r 0
m
2
π
10
- 7
H /M ; l
m
为磁路的
其中
,
真空磁导率 μ
= 4
×
0
有效长度
; A
e
为磁芯的有效截面积
;
(
3
)
已知工½磁感应强度
B
W
L
=
A
e
B
W
N / I
式中
, I
为最大电感电流
; A
e
为磁芯的有效截面积
4
设计实例
4. 1
滤波电路设计
[
3
]
工业出版社
, 1985.
[2]
吕仁清
,
蒋全兴
.
电磁兼容性结构设计
[M ].
南京
:
东
。
南大学出版社
, 1990.
[3]
陈穷
.
电磁兼容性工程设计手册
[M ].
北京
:
½防工业
本例采用的开关电源参数为
:
输入
24V ,
输出
出版社
, 1993.
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