开关电源的电磁干扰滤波器设计研究

0 前 言

    开关电源应用最为广泛，但EMI最为严重。开关电源EMI主要来源：其一：在整流环节中，由于滤波电容器容量很大，整流管仅在交流电压峰值附近导通，此时电容器流经较大的充电尖峰电流，产生了丰富的谐量分量；其二：由于DC/DC变换器开关频率在几十KHZ至几百KHZ之间，开关管电流含有丰富的谐波分量，而且是开关电源主要电磁干扰源。

    由于开关电源EMI主要是传导干扰，采用滤波器来抑制是最主要的手段。EMI滤波器设计与一般信号滤波器设计完全不同，必须采取特殊设计方法。

    本文采用完全有别于信号滤波器的设计方法，采用“三点频率法”设计了双级LC滤波器，滤波器效果令人满意。

1 滤波器设计

    双级LC网络插入开关电源电路中的位置如图1所示。

图1 LC网络在开关电源电路中的位置

    假定直流电源侧为低阻抗电压源Us，DC/DC变换器输入端为高阻抗电流源i(t)。那么LC滤波器只能选择“ Γ”型结构，最简单的双“ Γ”型LC网络如图2所示。其频域传递函数为

图2 双级LC网络

    由于LC网络谐振时，会产生很大的电流（电压）峰值，这个网络有3个频率点的谐振峰值是必须限制，否则，会产生更大的EMI。限制这3个频率点的峰值是设计这个滤波器的主要指导思想。这3个频率点分别是：

    由于LC网络谐振时，会产生很大的电流（压）峰值，这个网络有3个频率点的谐振峰值是必须限制，否则，会产生更大的EMI。限制这3个频率点的峰值是设计这个滤波器的主要指导思想。这3个频率点分别是：

    第一级滤波器的谐振频率：

    第二级滤波器的谐振频率：

    第3个频率点就是DC/DC 变换器的开关频率f。

    下面具体讨论滤波器设计方法，即选取LC 网络中元件参数的方法。由上面3个式子，3个频率点对应的传递函数的幅值分别为：
   

    元件参数选取方法讨论如下：

    为了限制1 f 点的谐振峰值，要求插入衰减20logH1＝20logC1/C2＜0，即C1/C2＜0。

    根据经验，它们的比值范围为
    C1/C2＝0.1～0.5     （7）

    为了限制f2点的谐振峰值，同理选取
    L1/L2＝0.1～0.5     （8）

    为了限制f 点的谐振峰值，要求20logH3＝－20～－150dB，即
    H3＝0.1～0.5     （9）

    元件参数选取步骤归纳如下：

    （1）由(7)～(9)式确定了比值，这样只有二个参数是独立的；

    （2）由于滤波器负载侧（开关电流i(t)侧）谐波分量较大，C2应选一个大容量电容器；

    （3）由(1)、(2)步结果代入(9)式，就可以确定另一个独立参数。

    由直流侧电源Us确定电容器额定电压值Uce≥2Us。

    例如：若开关电源开关频率f＝50kHz，Us＝24V，由上述参数选取原则，选取二组参数见表1。

表1 元件参数