開關電源濾波電路的優化設計

歐海飛

摘 要：隨著科技的發展，人們在日常生活中使用的電器越來越多，電子設備的電磁兼容性（EMC）也越來越重要。所以，人們對電子設備的電磁兼容性的要求也越來越嚴格，越來越規范。而在市場競爭中，如何降低成本、減少設備體積，是各電子設備制造廠家重點研究的課題。通過對開關電源的EMI濾波電路的類別和相應的技術特點進行分析，設計出一種既能提高性能，又能降低成本的濾波電路。

關鍵詞：開關電源；EMC；濾波電路；低成本

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）04-0033-02

1 EMC的意義

電子設備或系統的電磁兼容性（EMC，即Electro Magnetic Compatibility）主要包括兩部分：

EMI：電子設備或系統不能對所在環境中的任何事物產生其不能承受的電磁干擾。

EMS：電子設備或系統承受外部環境對其干擾的能力，使其在電磁環境中能正常工作。

由于日常生活中電子應用產品數量的增加，電子模塊的密度也在增加，因此，從長遠的角度看，電磁環境噪聲在給定的空間內是增長的，如圖1中曲線1所示。當電子設備的抗干擾性高于電磁環境噪聲任何點時，電子設備的功能不受影響，但遺憾的是，現在電子系統大部分都具有較高的工作頻率和較低的電平開關門限（較低的工作電源），抗噪聲的能力在逐漸下降，如圖1中曲線2所示。

由圖1明顯可以看出，當到達環境噪聲強度P點的時候，整個電子市場將瀕臨瓦解。因此，電子市場采取措施來改善電子系統的電磁兼容（EMC）是必要的，這樣才能使P點落到無窮的時間線上。

2 改善開關電源濾波電路的重要性

開關電源由于其體積、重量、功率密度和效率等方面的諸多優點，已經被廣泛應用于各個領域的電子設備或系統中。由于開關電源應用于交流電網中，整流電路往往會導致輸入的電流斷斷續續，這除了大大降低了輸入功率因數外，還增加了大量高次諧波。同時，開關電源中功率開關控制的是高速開關動作，這樣就形成了EMI騷擾源。因此，解決開關電源的EMI問題對改善人們生活的電磁環境有著重要的意義。在開關電源中存在的主要干擾形式是傳導干擾和近場輻射干擾，傳導干擾會注入電網，干擾接入電網的其他設備。

減少傳導干擾的方法有很多，諸如合理鋪設地線，采取星型鋪地方式，避免形成環形地線，盡可能減少公共阻抗，設計合理的緩沖電路，減少電路雜散電容等。本文主要的研究課題是優化EMI濾波器，衰減電網與開關電源對彼此的噪聲干擾。

開關電源主要的EMI干擾源是功率半導體器件開關動作產生的dv/dt和di/dt，所以，電磁發射一般是寬帶的噪聲信號，頻率范圍是從開關工作頻率到幾兆赫。因此，傳導型電磁環境的測量，很多國際和國家標準所規定的頻率范圍在0.15～30 MHz。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率、高次諧波的噪聲進行衰減?；谏鲜鰳藴?，在通常情況下，只要考慮將高于150 kHz的EME衰減至合理范圍內即可。在數字信號處理領域，普遍認同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。

3 傳統開關電源濾波電路分析

EMI電源濾波器一般是由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻（50～400 Hz）信號通過，對頻率較高的信號有較大的衰減作用。根據抑制干擾的程度，EMI電源濾波器一般分為普通性能和高性能兩種濾波器。圖2、圖3給出單環和雙環電源濾波器的電路設計基本模型，前者為普通性能電路，后者為高性能電路。當需要加強濾波器某方面的功能時，一般以圖2、圖3 為基礎，在此基礎上作調整。

針對傳統的濾波電路，圖2這種單級共模濾波電路對噪聲的抑制能力進行分析。對圖2濾波電路對電源L相的共模電壓干擾和共模電流干擾的能力進行分析，在正常情況下，電感L1兩繞組匝數相同，繞在同一個磁環上，電感量是相等的。

4 傳統濾波電路改進的方法和理論分析

在以上介紹的傳統濾波電路的基礎上，本文提出了一種在不改變磁環大小和特性、不改變繞組線徑和匝數的前提下，濾波電感增加一個跨等電勢面的繞組。該繞組跨接在兩個不同的等電勢面之間，從而減少了內部共模干擾源直接通過回流路徑傳導到端口的分量。這樣對共模干擾的濾波能力可以從一級變為兩級，且對于兩相的共模干擾的影響也是一致的，從而大大提高了對共模干擾的濾波能力。具體情況如圖4所示。

如圖4所示，在濾波電感L1的剩余空間里增加繞跨電勢面的繞組L1E，該繞組跨接在第一等勢面E1和第二等勢面E2之間。第一級濾波電容C5、C6分別連接在濾波電路的一個輸入線與第一等勢面E1之間，第二級濾波電容C7、C8分別連接在一個輸入線與第二個等勢面E2之間?？珉妱菝胬@組L1E與第一原繞組L1A、第二原繞組的同名端之間分別接有共模濾波電容C1、C2，形成兩級共模濾波電路。圖4的等效電路圖可化簡為圖5.

5 改進后的濾波電路效果測試和結論

從實驗數據對比可以看出，在500 kHz以下的頻段改進前后的效果差異不大，而在500 kHz以上的頻段，對共模電壓型噪聲的抑制，改進后的能力是改進前的2.8×107～1.67×107倍；對共模電流型噪聲的抑制，改進后的能力是改進前的1.4×107～1.67×107倍。由此可見，改進后的濾波器對中高頻噪聲的抑制能力大大提高。另外，如果跨等電勢面的繞組由一個變為多個，模濾波的級數也會相應增加，濾波能力也會增強。因此，在同等的對噪聲抑制能力的要求下，改進后的濾波電路的電容容量和電感的電感量可減小，這也就意味著總體的體積在減小，成本也在相應下降。

〔編輯：白潔〕

Abstract： With the development of technology， appliances people use in their daily lives， more and more electronic devices electromagnetic compatibility（EMC）has become increasingly important. So， people electromagnetic compatibility requirements of electronic devices have become increasingly stringent， more and more standardized. The competition in the market， how to reduce costs， reduce equipment size， is the subject of the electronic equipment manufacturer focused on research. Through the technical characteristics of the respective category and the EMI filter circuit switching power supply is analyzed both designed to improve a performance of the filter circuit can reduce the cost.

Key words： switching power supply； EMC； filtering circuit； low cost

摘 要：隨著科技的發展，人們在日常生活中使用的電器越來越多，電子設備的電磁兼容性（EMC）也越來越重要。所以，人們對電子設備的電磁兼容性的要求也越來越嚴格，越來越規范。而在市場競爭中，如何降低成本、減少設備體積，是各電子設備制造廠家重點研究的課題。通過對開關電源的EMI濾波電路的類別和相應的技術特點進行分析，設計出一種既能提高性能，又能降低成本的濾波電路。

關鍵詞：開關電源；EMC；濾波電路；低成本

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）04-0033-02

1 EMC的意義

電子設備或系統的電磁兼容性（EMC，即Electro Magnetic Compatibility）主要包括兩部分：

EMI：電子設備或系統不能對所在環境中的任何事物產生其不能承受的電磁干擾。

EMS：電子設備或系統承受外部環境對其干擾的能力，使其在電磁環境中能正常工作。

由于日常生活中電子應用產品數量的增加，電子模塊的密度也在增加，因此，從長遠的角度看，電磁環境噪聲在給定的空間內是增長的，如圖1中曲線1所示。當電子設備的抗干擾性高于電磁環境噪聲任何點時，電子設備的功能不受影響，但遺憾的是，現在電子系統大部分都具有較高的工作頻率和較低的電平開關門限（較低的工作電源），抗噪聲的能力在逐漸下降，如圖1中曲線2所示。

由圖1明顯可以看出，當到達環境噪聲強度P點的時候，整個電子市場將瀕臨瓦解。因此，電子市場采取措施來改善電子系統的電磁兼容（EMC）是必要的，這樣才能使P點落到無窮的時間線上。

2 改善開關電源濾波電路的重要性

開關電源由于其體積、重量、功率密度和效率等方面的諸多優點，已經被廣泛應用于各個領域的電子設備或系統中。由于開關電源應用于交流電網中，整流電路往往會導致輸入的電流斷斷續續，這除了大大降低了輸入功率因數外，還增加了大量高次諧波。同時，開關電源中功率開關控制的是高速開關動作，這樣就形成了EMI騷擾源。因此，解決開關電源的EMI問題對改善人們生活的電磁環境有著重要的意義。在開關電源中存在的主要干擾形式是傳導干擾和近場輻射干擾，傳導干擾會注入電網，干擾接入電網的其他設備。

減少傳導干擾的方法有很多，諸如合理鋪設地線，采取星型鋪地方式，避免形成環形地線，盡可能減少公共阻抗，設計合理的緩沖電路，減少電路雜散電容等。本文主要的研究課題是優化EMI濾波器，衰減電網與開關電源對彼此的噪聲干擾。

開關電源主要的EMI干擾源是功率半導體器件開關動作產生的dv/dt和di/dt，所以，電磁發射一般是寬帶的噪聲信號，頻率范圍是從開關工作頻率到幾兆赫。因此，傳導型電磁環境的測量，很多國際和國家標準所規定的頻率范圍在0.15～30 MHz。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率、高次諧波的噪聲進行衰減。基于上述標準，在通常情況下，只要考慮將高于150 kHz的EME衰減至合理范圍內即可。在數字信號處理領域，普遍認同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。

3 傳統開關電源濾波電路分析

EMI電源濾波器一般是由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻（50～400 Hz）信號通過，對頻率較高的信號有較大的衰減作用。根據抑制干擾的程度，EMI電源濾波器一般分為普通性能和高性能兩種濾波器。圖2、圖3給出單環和雙環電源濾波器的電路設計基本模型，前者為普通性能電路，后者為高性能電路。當需要加強濾波器某方面的功能時，一般以圖2、圖3 為基礎，在此基礎上作調整。

針對傳統的濾波電路，圖2這種單級共模濾波電路對噪聲的抑制能力進行分析。對圖2濾波電路對電源L相的共模電壓干擾和共模電流干擾的能力進行分析，在正常情況下，電感L1兩繞組匝數相同，繞在同一個磁環上，電感量是相等的。

4 傳統濾波電路改進的方法和理論分析

在以上介紹的傳統濾波電路的基礎上，本文提出了一種在不改變磁環大小和特性、不改變繞組線徑和匝數的前提下，濾波電感增加一個跨等電勢面的繞組。該繞組跨接在兩個不同的等電勢面之間，從而減少了內部共模干擾源直接通過回流路徑傳導到端口的分量。這樣對共模干擾的濾波能力可以從一級變為兩級，且對于兩相的共模干擾的影響也是一致的，從而大大提高了對共模干擾的濾波能力。具體情況如圖4所示。

如圖4所示，在濾波電感L1的剩余空間里增加繞跨電勢面的繞組L1E，該繞組跨接在第一等勢面E1和第二等勢面E2之間。第一級濾波電容C5、C6分別連接在濾波電路的一個輸入線與第一等勢面E1之間，第二級濾波電容C7、C8分別連接在一個輸入線與第二個等勢面E2之間。跨電勢面繞組L1E與第一原繞組L1A、第二原繞組的同名端之間分別接有共模濾波電容C1、C2，形成兩級共模濾波電路。圖4的等效電路圖可化簡為圖5.

5 改進后的濾波電路效果測試和結論

從實驗數據對比可以看出，在500 kHz以下的頻段改進前后的效果差異不大，而在500 kHz以上的頻段，對共模電壓型噪聲的抑制，改進后的能力是改進前的2.8×107～1.67×107倍；對共模電流型噪聲的抑制，改進后的能力是改進前的1.4×107～1.67×107倍。由此可見，改進后的濾波器對中高頻噪聲的抑制能力大大提高。另外，如果跨等電勢面的繞組由一個變為多個，模濾波的級數也會相應增加，濾波能力也會增強。因此，在同等的對噪聲抑制能力的要求下，改進后的濾波電路的電容容量和電感的電感量可減小，這也就意味著總體的體積在減小，成本也在相應下降。

〔編輯：白潔〕

Abstract： With the development of technology， appliances people use in their daily lives， more and more electronic devices electromagnetic compatibility（EMC）has become increasingly important. So， people electromagnetic compatibility requirements of electronic devices have become increasingly stringent， more and more standardized. The competition in the market， how to reduce costs， reduce equipment size， is the subject of the electronic equipment manufacturer focused on research. Through the technical characteristics of the respective category and the EMI filter circuit switching power supply is analyzed both designed to improve a performance of the filter circuit can reduce the cost.

Key words： switching power supply； EMC； filtering circuit； low cost

摘 要：隨著科技的發展，人們在日常生活中使用的電器越來越多，電子設備的電磁兼容性（EMC）也越來越重要。所以，人們對電子設備的電磁兼容性的要求也越來越嚴格，越來越規范。而在市場競爭中，如何降低成本、減少設備體積，是各電子設備制造廠家重點研究的課題。通過對開關電源的EMI濾波電路的類別和相應的技術特點進行分析，設計出一種既能提高性能，又能降低成本的濾波電路。

關鍵詞：開關電源；EMC；濾波電路；低成本

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）04-0033-02

1 EMC的意義

電子設備或系統的電磁兼容性（EMC，即Electro Magnetic Compatibility）主要包括兩部分：

EMI：電子設備或系統不能對所在環境中的任何事物產生其不能承受的電磁干擾。

EMS：電子設備或系統承受外部環境對其干擾的能力，使其在電磁環境中能正常工作。

由于日常生活中電子應用產品數量的增加，電子模塊的密度也在增加，因此，從長遠的角度看，電磁環境噪聲在給定的空間內是增長的，如圖1中曲線1所示。當電子設備的抗干擾性高于電磁環境噪聲任何點時，電子設備的功能不受影響，但遺憾的是，現在電子系統大部分都具有較高的工作頻率和較低的電平開關門限（較低的工作電源），抗噪聲的能力在逐漸下降，如圖1中曲線2所示。

由圖1明顯可以看出，當到達環境噪聲強度P點的時候，整個電子市場將瀕臨瓦解。因此，電子市場采取措施來改善電子系統的電磁兼容（EMC）是必要的，這樣才能使P點落到無窮的時間線上。

2 改善開關電源濾波電路的重要性

開關電源由于其體積、重量、功率密度和效率等方面的諸多優點，已經被廣泛應用于各個領域的電子設備或系統中。由于開關電源應用于交流電網中，整流電路往往會導致輸入的電流斷斷續續，這除了大大降低了輸入功率因數外，還增加了大量高次諧波。同時，開關電源中功率開關控制的是高速開關動作，這樣就形成了EMI騷擾源。因此，解決開關電源的EMI問題對改善人們生活的電磁環境有著重要的意義。在開關電源中存在的主要干擾形式是傳導干擾和近場輻射干擾，傳導干擾會注入電網，干擾接入電網的其他設備。

減少傳導干擾的方法有很多，諸如合理鋪設地線，采取星型鋪地方式，避免形成環形地線，盡可能減少公共阻抗，設計合理的緩沖電路，減少電路雜散電容等。本文主要的研究課題是優化EMI濾波器，衰減電網與開關電源對彼此的噪聲干擾。

開關電源主要的EMI干擾源是功率半導體器件開關動作產生的dv/dt和di/dt，所以，電磁發射一般是寬帶的噪聲信號，頻率范圍是從開關工作頻率到幾兆赫。因此，傳導型電磁環境的測量，很多國際和國家標準所規定的頻率范圍在0.15～30 MHz。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率、高次諧波的噪聲進行衰減。基于上述標準，在通常情況下，只要考慮將高于150 kHz的EME衰減至合理范圍內即可。在數字信號處理領域，普遍認同的低通濾波器概念同樣適用于電力電子裝置中。

3 傳統開關電源濾波電路分析

EMI電源濾波器一般是由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻（50～400 Hz）信號通過，對頻率較高的信號有較大的衰減作用。根據抑制干擾的程度，EMI電源濾波器一般分為普通性能和高性能兩種濾波器。圖2、圖3給出單環和雙環電源濾波器的電路設計基本模型，前者為普通性能電路，后者為高性能電路。當需要加強濾波器某方面的功能時，一般以圖2、圖3 為基礎，在此基礎上作調整。

針對傳統的濾波電路，圖2這種單級共模濾波電路對噪聲的抑制能力進行分析。對圖2濾波電路對電源L相的共模電壓干擾和共模電流干擾的能力進行分析，在正常情況下，電感L1兩繞組匝數相同，繞在同一個磁環上，電感量是相等的。

4 傳統濾波電路改進的方法和理論分析

在以上介紹的傳統濾波電路的基礎上，本文提出了一種在不改變磁環大小和特性、不改變繞組線徑和匝數的前提下，濾波電感增加一個跨等電勢面的繞組。該繞組跨接在兩個不同的等電勢面之間，從而減少了內部共模干擾源直接通過回流路徑傳導到端口的分量。這樣對共模干擾的濾波能力可以從一級變為兩級，且對于兩相的共模干擾的影響也是一致的，從而大大提高了對共模干擾的濾波能力。具體情況如圖4所示。

如圖4所示，在濾波電感L1的剩余空間里增加繞跨電勢面的繞組L1E，該繞組跨接在第一等勢面E1和第二等勢面E2之間。第一級濾波電容C5、C6分別連接在濾波電路的一個輸入線與第一等勢面E1之間，第二級濾波電容C7、C8分別連接在一個輸入線與第二個等勢面E2之間。跨電勢面繞組L1E與第一原繞組L1A、第二原繞組的同名端之間分別接有共模濾波電容C1、C2，形成兩級共模濾波電路。圖4的等效電路圖可化簡為圖5.

5 改進后的濾波電路效果測試和結論

從實驗數據對比可以看出，在500 kHz以下的頻段改進前后的效果差異不大，而在500 kHz以上的頻段，對共模電壓型噪聲的抑制，改進后的能力是改進前的2.8×107～1.67×107倍；對共模電流型噪聲的抑制，改進后的能力是改進前的1.4×107～1.67×107倍。由此可見，改進后的濾波器對中高頻噪聲的抑制能力大大提高。另外，如果跨等電勢面的繞組由一個變為多個，模濾波的級數也會相應增加，濾波能力也會增強。因此，在同等的對噪聲抑制能力的要求下，改進后的濾波電路的電容容量和電感的電感量可減小，這也就意味著總體的體積在減小，成本也在相應下降。

〔編輯：白潔〕

Abstract： With the development of technology， appliances people use in their daily lives， more and more electronic devices electromagnetic compatibility（EMC）has become increasingly important. So， people electromagnetic compatibility requirements of electronic devices have become increasingly stringent， more and more standardized. The competition in the market， how to reduce costs， reduce equipment size， is the subject of the electronic equipment manufacturer focused on research. Through the technical characteristics of the respective category and the EMI filter circuit switching power supply is analyzed both designed to improve a performance of the filter circuit can reduce the cost.

Key words： switching power supply； EMC； filtering circuit； low cost