基于开关电源的EMI滤波器设计与实现

摘要：通过对某型号开关电源的电磁兼容性进行分析和测试，提出了针对此开关电源的干扰抑制滤波器的有效设计方法，并利用PSpice软件进行了滤波器的设计与仿真。遵循设计方法，针对该开关电源的电磁干扰(EMI)滤波器已经实现，通过实际测试结果验证了设计方法的正确性。
关键词：滤波器；开关电源；电磁干扰

1 引言
与传统线性电源相比，开关电源作为一种新型绿色电源，因其具有体积小，重量轻，高效率等优点，在军用和民用领域得到广泛应用。但由于其内部含有高速通断的开关器件并采用特殊的调制方式，因此会产生大量地EMI，从而对其本身及其使用开关电源的产品的整体性能造成严重影响。EMI滤波器是抑制开关电源传导干扰的有效手段，因此有必要对EMI滤波器的设计方法进行深入研究。这里以某型号开关电源作为研究对象，详细叙述了EMI滤波器设计方法，为解决开关电源电磁兼容问题提供了参考。

2 电磁干扰测试方法
2．1 测试时产品工作状态
该开关电源输入电压变化范围为18～36 V，测试时输入电压为28 V，输出稳压为12 V，工作频率约为250 kHz，最大工作电流为4 A。在测试过程中，该开关电源产品一直处于半载工作状态。
2．2 电磁干扰测试方法
开关电源传导干扰主要由差模干扰和共模干扰组成。前者指相线与中线之间流动的电流噪声；后者指相线或中线与地线之间流动的电流噪声。根据干扰信号的特点可粗略地划分为3个频段：0．15～0．5 MHz以差模干扰为主：0．5～5 MHz差、共模干扰共存；5 MHz以上以共模干扰为主。在设计时若哪个频段不达标，可针对该频段加强滤波效果。通常，EMI滤波器由差模网络和共模网络构成，为了确定其中元件参数的具体取值，需先得到差模电流和共模电流的具体数值。测试方法是通过电流探头分离出差模电流和共模电流。其测试框图如图1所示。

若将共模电流和差模电流分别记为Icm与Idm，则在共模电流测试中，测得电流为：
I测量值=I相线+I中线=(Icm+Idm)+(Icm-Idm)=2Icm (1)
而在差模电流测试中，测得电流为：
I测量值=I相线-I中线=(Icm+Idm)-(Icm-Idm)=2Idm (2)
在整个测试频段内，电流探头的因子可用软件补偿，采用自动测试系统测量完毕后，则显然从最终测量值减去6 dB才是共模电流和差模电流的实际电流值大小。其减去6 dB后的测量结果如图2所示。

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3 EMI滤波器设计步骤及参数设计
3．1 EMI滤波器设计步骤
根据图2获得的测试曲线数值，分别减去用直线所代表的设备极限值，但为了保证滤波器插入损耗的设计裕量，一般在最后结果加上6 dB，具体计算公式为：插入损耗(dB)=测量值(dB)-设备极限值(dB)+6 dB。经过数据处理后，可以得到整个频段范围之内所需插入的损耗值，具体结果如图3所示。根据图3，分别画一条斜率为40 dB／dec的直线，并尽可能靠近图中曲线的第一个尖峰值，记下该直线与水平轴的交点，而根据该交点所得到的频率值则分别为所需滤波器的共模截止频率和差模截止频率。

根据滤波器的共模截止频率和差模截止频率，分别设计共模滤波器和差模滤波器。
3．2 EMI滤波器的确定
EMI滤波器本质上都是低通滤波器，其一般结构如图4所示。

其中，Cx1和Cx2为差模电容，主要用于抑制差模噪声，Cy为共模电容，主要用于抑制共模噪声，Ld为差模电感，主要用来通过工频或直流电流，同时滤除高频传导电流，Lc为共模电感，主要是为抑制共模干扰而设计，但由于Lc两个线圈之间的不对称性，使得Lc存在一定差模漏感，这样使得实际的共模电感也可在一定程度上抑制差模噪声。经实验表明，漏感量值多为Lc量值的0．5％～2％。根据文献给出的分析方法，图4的共模、差模等效电路如图5所示。

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3．3 EMI滤波器元件参数设计
3．3．1 共模参数的选取
由于共模电容是连接在相线或中线与地线之间的，则共模电容的失效可能会导致人员电击，其次，对共模电容也应有最大漏电的限制。因此，对漏电流要求越小越好，安全电流通常为几百微安到几毫安，这就使得共模电容的取值一般都比较小，通常采用高耐压的陶瓷电容(安规电容)，电容量一般为几百至几万皮法。此处取Cy=2 200 pF，参照文献中的计算方法，可得Lc≈117μH。
3．3．2 差模参数的选取
对于差模参数而言，Cx1，Cx2以及Ld的选取没有唯一解，允许设计者有一定的自由度。此时，相应地Cx1，Cx2值要更大，此处选取Cx1 =Cx2=0．22μF，并忽略漏感值，可得Ld≈10μH。

4 EMI滤波器的仿真
4．1 共模滤波器仿真
为了使仿真结果更接近实际，在图5a基础上添加电感和电容的高频寄生参数，当频率升高时，电容的绝缘漏电阻Rp>>1／(2πfCy)，则电容阻抗为：

图6示出共模滤波器电路及共模插入损耗仿真结果。由于噪声源阻抗Zs是未知的，则Zs可以用一个电流源Iscm和一个高阻抗Zp并联表示。根据工程经验，取Rs=0．15 Ω，Lp=15 nH，RL=10 mΩ，Cp=5 pF，Zp=10 kΩ。由图6a可知：
I(ZLISSN／2)=(Z2Cy‖Zp)Iscm／(ZLc+ZLISN／2+Z2Cy‖Zp) (5)
根据式(5)，可得到共模插入损耗计算公式：

利用OrCAD10．5／PSpice软件仿真后，其仿真结果如图6b所示。

由仿真结果可知，在750 kHz处大概有21 dB的插损，基本满足了设计的要求，虽然在共模滤波器谐振频率点217 kHz附近出现负的插损，但由图2a可知，在该谐振频率点处共模干扰电流很小，所以对整体滤波效果影响不大。
4．2 差模滤波器仿真
与共模分析方法类似，在图4b的基础上添加电感和电容的高频寄生参数：Rs=0．15 Ω，Lp=40 nH，RL=1．5 mΩ，Cp=5 pF，Zp=10 kΩ。图7示出差模滤波器电路图和差模插入损耗仿真结果。

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由图7a可知：

利用OrCAD10．5／PSpice软件仿真后，其仿真结果如图7b所示。由仿真结果可知，在250 kHz处大概有50 dB的插损，也满足了设计的要求。

5 EMI滤波器的实现
将设计好的EMI滤波器连入开关电源回路后，可以测得此开关电源的共模干扰电流和差模干扰电流的大小如图8所示。

由测试结果可知，EMI滤波器的实际滤波效果与理论存在一些偏差，这是因为滤波器的性能不仅取决于其本身，同时与噪声源阻抗也有很大的关系。但总体而言，该滤波器基本满足了设计要求，取得了不错的EMI抑制效果。

6 结论
首先通过测试分析得到该开关电源的共模干扰电流和差模干扰电流的具体大小，在此基础上分别建立相应的共模滤波器和差模滤波器，并经过PSpice软件进行共模滤波器和差模滤波器的设计与仿真。结合设计过程中的EMI滤波器具体参数值，针对此开关电源的EMI滤波器已经实现，实际测试结果表明了该EMI滤波器设计方法的合理性和有效性。