20170503-开关电源中的EMI滤波电感设计

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1、开关电源中的EMI滤波电感设计普高（杭州）科技开发有限公司张兴柱博士开关电源中的功率变换器工作于高频开关方式，其输入线上的电流含有高频分量，这些高频分量对接在同一供电处的其它电子设备会产生干扰，严重时可能导致其它电子设备的正常工作，为此国际上专门制订了相关的EMI标准，来限制各种电子设备对外产生的辐射与传导噪声。其中最常用的传导EMI标准有CISPR22、VDE和FCC，通过测试电子设备的传导EMI来判断其是否满足相应的EMI标准。图1是测试开关电源传导EMI的线路图，其中供LISN供电电源vo(t)负载L2线1vin(t)不含EMIEMI滤波器

2、滤波器的io(t)L1开关电源线2C1C2v2(t)v1(t)R2R1频谱分析仪图1：测试开关电源传导EMI的线路图电电源既可以是直流，也可以是交流，图中为交流。LISN为测试EMI的阻抗匹配网络，L1=L2=50uH，C1=C2=0.1uF，R1=R2=50Ω，这个网络对于输入的低频分量，其L1、L2可看作短路，C1、C2可看作开路，所以不影响输入到输出的功率传递；对于蓝色框内开关电源所产生的高频分量，其L1、L2可看作开路，C1、C2可看作短路，因此开关电源输入线（线1和线2）上的高频电流分量将完全流过R1、R2，再将R1、R2上的电流信号用

3、频谱分析仪进行测试，就可获得每一根输入线上的电流信号频谱，这些电流信号频率也被叫作传导EMI噪声频谱，R1、R2就是测试传导EMI的等效负载。利用传导EMI的的测试线路，可以将不加EMI滤波器时的开关电源，所产生的噪声用图2(a)的电路等效，如果再将不加EMI滤波器的开关电源在高频段用一个噪声电压源和三个噪声阻抗表示的话，则图2(a)的电路可以进一步用图2(b)来等效。由图2(b)可知，产生传导EMI1线1不含EMI滤线1Z1波器的开关电源之EMIvN(t)线2等效线2Z2Zci2(t)i1(t)i2(t)i1(t)v2(t)v1(t)v2(t)

4、v1(t)R2R1R2R1(a)(b)图2：不加EMI滤波器的开关电源之EMI等效电路的根源有三个，一个是EMI源vN，一个是EMI途径Z1、Z2和Zc，再一个就是EMI的负载R1和R2。等效电路中的EMI负载是固定的50欧电阻，而变化的是EMI源及EMI途径。如何确定用不同功率变换器、不同PCBLayout、不同结构件、不同控制方式等实现的开关电源之传导EMI等效电路是分析和设计传导EMI滤波器的关键，同时也是指导抑制传导EMI的有力手段。另外如将图2(b)中每根线上的噪声电流写成下面的形式：i1(t)=icm+iDmi2(t)=icm−iDm

5、则每根线上的噪声就可分别转化为共模噪声icm与差模噪声iDm之合成，此时的图2(b)可画成图3所示。测试时也可用特殊的噪声分离器，先测试出共模噪声和差模噪声，然后结合没有Z1线1idmicmvN(t)icmidm线2Z2Zci2(t)i1(t)v2(t)v1(t)R2R12icm图3：用共模和差模表示的EMI等效电路EMI滤波的开关电源之共模和差模EMI等效电路，来分别加上合适的共模和差模EMI滤波器，以达到EMI标准的要求。由此可知，传导EMI滤波器一般可以用共模滤波和差模滤波来组成。在开关电源中用得比较多的传导EMI滤波器如图4所示，它由一个

6、两阶差模滤波器和一个两阶共模滤波器组成，滤波器中的差模电容一般在0.1uF~1uF之间，而共模电容则2L'AC+LDLcCyCxN'LDLcCyAC-EG图4：两阶EMI滤波器的一般结构需由安全要求决定，其值较小（通常为数千pF）。一旦滤波器中的电容确定后，剩下的元件就是如何设计差模电感和共模电感了。假定在设计这两个电感之前，已通过测试和计算，获得了为满足低频段EMI衰减要求的滤波器转折频率分别为fcm和fDm，设计前将包含图4所示EMI滤波器的开关电源EMI测试线路重新画于图5。对图5可分别绘制相应的EMI差模LISN供电电源负载L2线1vin

7、(t)CxLDLcCy不含EMI滤波器的io(t)LDLcCy开关电源L1线2EGC1C2v2(t)v1(t)R2R1频谱分析仪图5：包含EMI滤波器的开关电源之EMI测试线路等效电路和EMI共模等效电路，如图6(a)和6(b)。下面结合图6的EMI等效电路，分别给出差模电感和共模电感的设计方法。vcm2vdmZCNCxLD/225ΩLc100ΩvcN2CyZDNidNLDLISNLISN(a)差模EMI等效电路(b)共模EMI等效电路图6：含EMI滤波器的开关电源之EMI等效电路3A：EMI差模滤波电感的设计方法第一步：根据差模滤波器的转折频率

8、fDm和选择的差模电容，用下式决定差模电感的大小：121LD=()2πfDm2Cx第二步：根据输入最大有效值电流，由下式选择绕组的线径：