開關電源EMC濾波電路的設計

1、陶顯芳2013.07.261世世界界各各國國的的安安全全認認證證標標志志EMIEMI、EMCEMC與安全均需權威部門進行認證與安全均需權威部門進行認證!23 EMIEMI是電磁干擾（Electromagnetic Interference）的縮寫。 EMI是指任何能使設備或系統(tǒng)性能降級的電磁現(xiàn)象。 EMCEMC是電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）的縮寫。 EMC是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中，符合要求運行，并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。 EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；

2、另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感度。 EMC標準包括EMI（電磁干擾）及EMS（Electromagnetic Susceptibility 電磁耐受性）兩個部份，所謂EMI電磁干擾，是指機器本身在執(zhí)行應有功能的過程中所產生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS，是指機器在執(zhí)行應有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。什么是什么是EMIEMI和和EMCEMC電子線路中的電磁干擾電子線路中的電磁干擾電磁干擾 EMIEMI（ Electromagnetic Interference），有兩種：傳導干擾和輻射干擾。目前，產生電磁干擾的設備主要是設備中的開關電源

3、。傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號是通過導線或公共電源線進行傳輸，互相產生干擾。傳導干擾又分共模干擾和差模干擾。輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號是通過帶電導體產生的電、磁感應產生的，通過電、磁感應可把某個電路網絡中的干擾信號傳給另一個電路網絡或電子設備。輻射干擾又分電場輻射和磁場輻射。目前，傳導干擾相對于輻射干擾來說，比較容易解決，只要增加電源輸入電路中EMC濾波器的節(jié)數(shù)，并適當調整每節(jié)濾波器的參數(shù)，基本上都能滿足要求；但對于輻射干擾，難度要大好多，主要原因是，開關電源的功率密度和工作頻率以及其它電路的工作頻率都在不斷提高，因此，輻射干擾也越來越嚴重。45 電磁感應是產生電磁干擾的主要原

4、因。電磁干擾分電場干擾 EI（Electro Interference）和磁場干擾 MI（magnetic Interference）兩種。 電場和磁場分別是兩種性質不同，可攜帶能量的介質，它們的分布，充滿整個宇宙空間，并且兩者之間的能量可以互相轉換；當某處電磁場的位能產生變化時，整個宇宙空間中的電磁場都需要重新進行分布，并以每秒鐘30萬公里的速度在真空中進行傳播，因此，電、磁干擾無處不在。 產生電場干擾的基本原因，是帶電物體的電荷在重新進行分布，相當于分布電容在不斷進行充放電；產生磁場干擾的基本原因，是流過導體中的電流大小和方向在不斷改變，相當于分布電感產生的磁通的大小和方向在不斷變化。 電

5、磁感應分電感應和磁感應，與電感應相關的是分布電容，而與磁感應相關的是分布電感，因此，熟識電容和電感的特性是解決EMI問題的關鍵。電磁感應與電磁干擾電磁感應與電磁干擾電場感應與電場感應與電容電容帶電物體本質上就相當于一個充了電的電容，在它的周圍會產生電場，并使周圍的導體感應帶電。電容C就相當與兩個帶電物體互相產生電場感應的系數(shù)。6孤立導體的電容孤立導體的電容 在帶電導體的周圍空間會散發(fā)出電場，電場是一種具有能量的物質。它在真空中以每秒30萬公里的速度向整個宇宙空間輻射。設孤立導體帶的電荷量為Q，電位為U，則電荷量Q與電位U的關系可以寫為：Q = CU式中比例系數(shù)C是一個與電荷量和電位無關的常數(shù)，

6、它與導體的幾何形狀和大小有關，所以人們把這個比例系數(shù)C稱為孤立導體的電容。電容的物理意義是帶電導體每升高（或降低）單位電位（電壓）所需要的電荷量。 孤立球導體的電容等于表面積除以半徑：把帶電體當成一個電容看待，就可以對電路進行定性分析和定量計算。 地球的電容量對于無限遠處約為：708uF，相對于電離層大約為1.1F。（對于無限遠處）7r4UQC電容與電容器電容與電容器 1UQ1C 2UQ2CC1C2U1U2V無限遠無限遠帶負電帶正電電容器可以看成是兩個孤立導體的組合，其中一個帶正電，另一個帶負電。兩個孤立導體之間的電容為：U2U1V電容器的容量可以看作是兩個帶電物體的互感系數(shù)。電容器就是兩個個

7、帶電導體產生的電場，相互感應的結果。QVQU2QU1C21C11C1VQC 即，兩個孤立導體之間的電容為：8相當于兩個電容串聯(lián)， 想減小兩電路之間電場相互干擾，最好的方法是減小電路之間的耦合系數(shù)，即減小兩電路之間的耦合電容，也就是盡量減小帶電導體的面積，及遠離其它電路，或降低工作頻率，兩根互相干擾的導體盡量不要互相平行。電場感應干擾的等效電路電場感應干擾的等效電路m2mCCC耦合系數(shù)9磁場感應干擾的等效電路磁場感應干擾的等效電路21LLMK dtdiLe111dtdiLdtdiMe221210 想減小兩電路之間磁場相互干擾，最好的方法是減小電路之間的耦合系數(shù)K，即減小兩電路之間的互感M，盡量減

8、小兩電流回路的面積，及遠離其它電路，或降低工作頻率，兩根互相干擾的導體盡量不要互相平行。K 耦合系數(shù)M 互感回路電流產生傳導干擾回路電流產生傳導干擾11 我們可以把每個回路都看成是一個感應線圈，當某個回路中有電流流過時，另外一個回路中就會產生感應電動勢，從而產生干擾。減少干擾的最有效方法就是盡量減少每個回路的有效面積，和降低干擾脈沖電壓或電流的變化率（dv/dt或di/dt）；但降低電壓或電流的變化率會增加開關管的功率損耗。圖中i3、i4的電流回路是最大的干擾源，排板時應該盡量減小i3、i4的電流回路的面積。當某個回路中有電流流過時，在另一個回路中就會產生感應電動勢。e1、e2、e3、e4 為

9、差模干擾信號；e5、e6、e7、e8 為共模干擾信號。共模信號的一端是整個線路板，另一端是大地。線路板中的公共端不能算為接地，不要把公共端與外殼相接，除非機殼接大地，否則，公共端與外殼相接，會增大輻射天線的有效面積，共模輻射干擾更嚴重。降低輻射干擾的方法，一個是對干擾源進行屏蔽，另一個是減小各個電流回路的面積（減小磁場干擾），和減小帶電導體的面積及長度（降低電場干擾）。12各電流回路之間產生串擾各電流回路之間產生串擾變壓器漏磁對回路產生電磁感應變壓器漏磁對回路產生電磁感應13 在所有電磁感應干擾之中，變壓器漏感產生的干擾是最嚴重的。如果把變壓器的漏感看成是變壓器感應線圈的初級，其它回路都可以看

10、成是變壓器的次級，則在變壓器周圍的回路中，都會被感應產生干擾信號。除了變壓器漏感之外，還有分布電容，當電流流過漏感與分布電容組成的回路時，會產生很高的di/dt和dv/dt值，從而使漏感產生的漏輻射更加嚴重。 減少干擾的方法，一個是減小變壓器初級線圈的漏感，并對變壓器進行磁屏蔽，另一個是盡量減少變壓器初級線圈的分布電容；另一方面是盡量減少每個電流回路的有效面積，特別是要減小電源開關管電流回路的面積。漏磁與分布電容組成的電流回路輻射最嚴重漏磁與分布電容組成的電流回路輻射最嚴重14圖中，U為輸入電壓，Ls為變壓器的漏感，Cs為變壓器初級線圈的分布電容，由于Ls和Cs的時間常數(shù)相對于變壓器初級線圈電

11、感的時間常數(shù)比較小，因此流過Ls和Cs的電流速率相對比流過L1的電流速率高很多，當Q1導通和關斷時，輸入電壓或電流的改變，都會使Ls和Cs、Cds產生諧振，使Ls和Cs、Cds兩端的電壓幅度比輸入電壓還要高。這種高頻諧振不但會產生很強的電磁輻射，并且還會產生很高的尖峰脈沖電壓，很容易把開關管擊穿。) 1sin(sinteULLLUteUutscstcscs) 1sin(teUutcsssCL1sRC21)2sin(teUutdcdssCL1Q1導通時：2LR Q1關斷振蕩頻率：；衰減因子：Q1關斷時：振蕩頻率：；衰減因子： Q1導通初級線圈的波形分布電容的波形開關管的波形15漏感與漏感與分布電

12、容會分布電容會產生很強的沖擊振蕩產生很強的沖擊振蕩用銅箔對變壓器進行屏蔽 16 對變壓器屏蔽，主要是減小變壓器漏感產生的磁通對周圍電路產生電磁感應干擾，以及對外產生電磁輻射干擾。 對變壓器屏蔽，可用導磁良好軟磁材料，直接對漏磁通進行屏蔽，也可以用導電性能良好的銅箔進行間接屏蔽；當交變漏磁通穿過銅箔的時候會在銅箔產生渦流，而渦流產生的磁場方向正好與漏磁通的方向相反，部分漏磁通就可以被抵消，因此，銅箔對磁通也可以起到很好的屏蔽作用。磁場輻射干擾主要是流過高頻電流回路產生的磁通竄到接收回路中產生的，因此，要盡量減小流過高頻電流回路的面積和接收回路的面積。dtdBSdtde1111dtdBSdtde2

13、222式中：e1、 1、S1、B1分別為輻射電流回路中產生的電動勢、磁通、面積、磁通密度； e2、 2、S2、B2分別為輻射電流回路中產生的電動勢、磁通、面積、磁通密度。17EMCEMC濾波電路設計濾波電路設計當電源插頭拔出時，C1、C2存儲的電荷可通過R1放電，要求1秒鐘內電壓低于24V。大地當電源輸出電壓（或靜電）高于4000V時，變壓器次級電路的分布電容存儲的電荷可能會大于4.5微庫侖。解決辦法是在冷、熱地之間跨接一個電阻R3（8.2M)和電容C5(10002000P)。只有開關變壓器次級線圈的中心或濾波電容的中心處才是0電位（浮地），其余地方，包括冷地，對大地均帶電。熱地冷地浮地18圖

14、1差模干擾濾波電路的計算差模干擾濾波電路的計算19第一步:我們先計算濾波電容器Co兩端的紋波電壓。圖2(b)中， iL01為流過開關變壓器T1的勵磁電流（鋸齒波），Ua為開關電源工作電壓，Uc為濾波電容器Co的紋波電壓，Ton為開關電源管導通時間， Toff為開關電源管關斷時間，DIo為開關管產生差模干擾信號（鋸齒波），DI1為經濾波電容Co濾波后輸出的差模干擾信號，DI2為經L1、C1濾波后輸出的差模干擾信號，DI2為經L2、C2濾波后輸出的差模干擾信號，L1、L2為差模電感，即，前面圖1中L2、L1共模電感的漏感。 圖2CqUConITq 2mII DITLUIaonam20aaUPI 計

15、算過程計算過程-1-1電容器C兩端的紋波電壓：（1），q 為電容器C存儲電荷的變化量電荷變化量：（2），I 為電容器在導通期間輸出的平均電流平均電流：（3），I m 為流過變壓器初級線圈的最大電流值最大電流值：開關電源的平均工作電流：（5），P 為開關電源的功率。onaonaonmCTCDUPTCDICTIU222最后求得：（6 6）20（4）Ua 為工作電壓，L0 初級線圈電感， D為占空比，Ia 為開關電源的平均工作電流。第二步: 我們再來計算圖中第一級EMC濾波電容器C1兩端的紋波電壓，即，第一級EMC濾波器的輸出電壓。圖(a)中，由于DI1是DI2的好幾十倍，我們可以認為，DI1電壓幾

16、乎全部降在L1上，因此有：計算過程計算過程-2-221電感L1兩端的電動勢：（7）（8）由此可以求得：onaCTDCUPUdtdiLe1dtCUDLPTdtLUdiaonC11aononmConCCCUCDLPTTITCICqU11311111122（9 9）aonCCUCDLPTUDI113112或：及：aConUUDCPTCL13112（1010）（1111）dtCUDLPTdtLUiaonC11或： 根據(jù)EMC標準規(guī)定，傳導干擾信號最大值為40db/uV，如果再預留6db的余量，就是50uV（約等于100uVpp），與前面計算結果正好相差250倍，即，兩級EMC濾波對干擾信號最少要衰減2

17、50倍。假設L1、C1這級濾波器衰減量為16倍，根據(jù)假設條件，可求得：Uc11563uVpp。進一步可求得：L1C180010-12（HF），如果選C1=1uF，則L1=0.8mH。 注意，上面我們一直都是用Vpp值來計算，這是因為U是個鋸齒波，在Ton期間，U的變化量正好對應鋸齒波的下降時間，其值變化范圍由+Vp變到-Vp。最后計算結果除2就是它的半波峰值，而峰值與有效值兩者相差大約為3db（1.414倍）。計算過程計算過程-3-322上面（6）、（9）、（10）、（11）式就是計算EMC濾波器的方法或公式。由于，下一級EMC濾波電路與L1、C1濾波器的工作原理完全相同，為了簡單，每級濾波器

18、的參數(shù)都選得一樣（但實際應用中最好互相錯開，以防分布參數(shù)完全相同，影響濾波效果），因此，只需計算第一級濾波器的參數(shù)即可，后面多級EMC濾波的參數(shù)可按平均分配。下面我們舉例計算說明： 假設圖1中，Ua=300V，P=75W，D=0.5，Ton=10uS（F=50kHz），C=200u，根據(jù)（6）式，可求得濾波電容兩端的高頻紋波電壓為0.025Vpp，即，開關電源產生的差模傳導干擾信號為0.0125Vp。再根據(jù)（9）式，可求得C1濾波電容兩端的高頻紋波電壓為:121111311025. 12CLCUCDLPTUaonC或：121111025. 1CUCL上面我們一直都是用Vpp值來計算，這是因為U

19、是個鋸齒波，在Ton期間，U的變化量正好對應鋸齒波的下降時間，其值變化范圍由+Vp變到-Vp。最后計算結果除2就是它的半波峰值，峰值與有效值兩者相差大約為3db（1.414倍）。 在實際應用中，L1、L2 一般都是用共模電感來代替，因此，要求共模電感的漏感要盡量大一些，如果漏感不夠大，那只好把濾波電容器的容量盡量加大。上面計算結果對于直接傳導的差?；ㄐ盘栠M行抑制是非常有效的。需要注意的是：聚酯膜電容器（X電容器）存在分布電感，以及EMC濾波電感存在分布電容，電容器中的分布電感會與電容產生串聯(lián)諧振，而電感器中的分布電容會與電感產生并聯(lián)諧振，因此，電容器和電感器都分別存在一個諧振頻率，這個諧振頻率正好就是電容器和電感器的工作截止頻率Fc。EM