开关电源输入EMI滤波器设计与仿真

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开关电源输入EMI滤波器设计与仿真

摘要:开关电源中常用EMI滤波器抑制共模干扰和差模干扰。三端电容器在抑制开关电源高频干扰方面有良好性能。文中在开关电源一般性能EMI滤波器电路结构基础上,给出了使用三端电容器抑制高频噪声的滤波器结构。并使用PSpice软件对插入损耗进行仿真,给出了仿真结果。
关键词:开关电源;EMI滤波器;三端电容器;插入损耗

1 开关电源特点及噪声产生原因
    随着电子技术的高速发展,电子设备种类日益增多,而任何电子设备都离不开稳定可靠的电源,因此对电源的要求也越来越高。开关电源以其高效率、低发热量、稳定性好、体积小、重量轻、利于环境保护等优点,近年来取得快速发展,应用领域不断扩大。开关电源工作在高频开关状态,本身就会对供电设备产生干扰,危害其正常工作;而外部干扰同样会影响其正常工作。开关电源干扰主要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形。这些波形的电流泄漏到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声,泄漏到输出部位就形成了波纹问题。考虑到电磁兼容性的有关要求,应采用EMI电源滤波器来抑制开关电源上的干扰。文中主要研究的是开关电源输入端的EMI滤波器。

2 EMI滤波器的结构
    开关电源输入端采用的EMI滤波器是一种双向滤波器,是由电容和电感构成的低通滤波器,既能抑制从交流电源线上引入的外部电磁干扰,还可以避免本身设备向外部发出噪声干扰。开关电源的干扰分为差模干扰和共模干扰,在线路中的传导干扰信号,均可用差模和共模信号来表示。差模干扰是火线与零线之间产生的干扰,共模干扰是火线或零线与地线之间产生的干扰。抑制差模干扰信号和共模干扰信号普遍有效的方法就是在开关电源输入电路中加装电磁干扰滤波器。EMI滤波器的电路结构包括共模扼流圈(共模电感)L,差模电容Cx和共模电容Cy。共模扼流圈是在一个磁环(闭磁路)的上下两个半环上,分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。两个线圈的磁通方向一致,共模干扰出现时,总电感迅速增大产生很大的感抗,从而可以抑制共模干扰,而对差模干扰不起作用。为了更好地抑制共模噪声,共模扼流圈应选用磁导率高,高频性能好的磁芯。共模扼流圈的电感值与额定电流有关。差模电容Cx通常选用金属膜电容,取值范围一般在0.1~1μF。Cy用于抑制较高频率的共模干扰信号,取值范围一般为2200~6800 pF。常选用自谐振频率较高的陶瓷电容。由于接地,共模电容Cy上会产生漏电流Ii-d。因为漏电流会对人体安全造成伤害,所以漏电流应尽量小,通常<1.0 mA。共模电容取值与漏电流大小有关,所以不宜过大,取值范围一般为2200~4700 pF。R为Cx的泄放电阻。电源滤波器的性能很大程度上取决于其端阻抗,根据信号传输理论,滤波器输入端与电源端的端接、滤波器输出端与负载端的端接应遵循阻抗极大不匹配原则。因此,滤波器设计时应遵循:(1)源内阻是高阻(低阻)的,滤波器输入阻抗就应该是低阻(高阻);(2)负载是高阻(低阻)的,则滤波器输出阻抗就应该是低阻(高阻)。对EMI信号来说,电感是高阻,电容是低阻,则有图1中的4种滤波器选用类型。


    电源滤波器一般用来抑制30 MHz以下频率范围的噪音,但对30 MHz以上的辐射发射干扰也有一定的抑制作用。根据开关电源共模、差模干扰的特点。可以按干扰的分布大概划分为3个频段:O.15~0.5 MHz差模干扰为主;0.5~5 MHz差模、共模干扰共存;5~30 MHz共模干扰为主。

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5 改进型结构
    线路旁通电容Cy是用来消除高频噪声的组件,基于对今后开关操作频率的高频化考虑,宜选用能消除频率高达1000MHz噪声的电容器。而一般的两端结构的旁通电容器仅能消除30MHz左右的噪声。由以上介绍可知,相对两端电容器来说,三端电容器能更好地抑制高频噪声。以EMI滤波器的一般结构为基础,用三端电容器替代其中的两端旁通电容Cy,电路图,如图6所示。其中ESL为三端电容器信号线上的等效串联电感。

6 PSpice仿真
    (1)使用三端电容的电路的插损与以往电路插损的比较。
    取差模电容Cx为0.1μF,共模电容Cy为2200pF,共模电感L取8mH。三端电容的等效串联电感ESL取0.36nH。在50 Ω/50 ΩQ系统中分别对一般结构的EMI滤波器和使用了三端电容器的EMI滤波器的插入损耗进行PSpice仿真。如图7所示,EMI滤波器在使用三端电容时,谐振点之后的插损效果明显好于在滤波器中使用两端电容的插损。提高了滤波器在高频段的性能。


    (2)不同Cy值,固定ESL。
    在使用三端电容的滤波器电路中,输入阻抗和输出阻抗都取50时,分别取共模电容Cy为4700pF,3300pF和2200pF,其他参数不变,观察共模电容Cy变化时对插入损耗的影响。通过图8的仿真结果看出,随着共模电容的增大,在高频段插入损耗有所提高,并且滤波器谐振点降低;而在低频段基本没有变化。因此可以通过选择较大的共模电容来提高滤波器高频段的插入损耗。由于共模电容需要接地,有漏电流,Iid的存在,对人身安全存在威胁。而共模电容越大,漏电流越大,所以选择共模电容时需要在漏电流满足安全条件的情况下取值。


    (3)固定Cy值,不同ESL。
    考察三端电容器与信号线串联的等效串联电感ESL对插入损耗的影响。取共模电容Cy为3 300 pF,取ESL分别为0.03 nH,0.36 nH和0.72 nH,其他参数值不变。从图9的仿真结果可以看出,随着ESL降低,谐振点提高,谐振点之后的插入损耗下降。

7 结束语
    在一般性能EMI滤波器的基础上,使用三端电容器作为共模电容对原滤波器加以改进,仿真结果表明,在高频段有较好的插损效果。由于实际使用时设备的阻抗大小以及在高频时元件的寄生效应均会对EMI滤波器的插损产生影响,因此还需根据实际情况对滤波器进行具体优化设计。

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3 插入损耗
    插入损耗是评价滤波器性能的主要指标,它是频率的函数。插入损耗的定义为,没有滤波器接入时,从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后噪声源传输到负载的功率P2之比,用dB表示。插入损耗越大,说明滤波器抑制干扰的能力越强。滤波器接入前后的电路图,如图3(a)和图3(b)所示。滤波器的插入损耗由式(1)表示。

4 三端电容器
    在高频线路中,因为一般电容器的引线具有电感分量,所以影响了其高频特性。而三端电容器在结构上可以做到与电容器串联的剩余电感分量很小,因此其插入损耗特性优于两端电容器,从而改善了电容器的高频特性。三端电容器有引线式和片状式两种。


    通常采用旁路电容抑制高频噪声。实际的电容器不仅具有电容C,还有等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL。由于寄生电感的影响,对于一个实际的电容存在着自谐振频率。在这个频率以上时,电容呈感性。元件的寄生参数也会极大地影响滤波器的高频特性。电容的寄生电感是主要的寄生参数,而对于电感来说,寄生电容是主要的寄生参数。电容器用作旁路电容时,如图4(a)所示,两端电容器一端接地,另一端与信号线连接。三端电容器一端接地,其余两端与电容器的一个电极相连并串联到信号线上,如图4(b)所示。一般的两端电容器由于与其电路连接的引线电感或电极所产生的等效串联电感较大,所以自谐振点较低,旁通效应也随之降低。采用三端电容器可有效改善此缺陷。原因在于三端电容器中流入地的电流与信号线中电流方向正交,所以其寄生电感比两端电容降低约50%,并且其中70%以上的寄生电感转移到信号线上。因此提高了三端电容器的自谐振频率,也可以将它作为T形滤波器使用,更好地抑制高频噪声。三端电容器的地线电感起着不良作用,作为旁路电容抑制高频噪声时,宜采用无引线的片式陶瓷电容器。图5为两端电容器与三端电容器插入损耗的比较。

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