利用滤波器有效抑制开关电源电磁干扰问题的探讨

1万 · 2013-12-25 19:00

引言

开关电源广泛应用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域，具有功耗低、效率高、体积小等显著优点，是目前最普遍应用于电子设备中的一种电源装置。

开关电源的突出缺点是产生极强的电磁干扰（EMI）。EMI信号经传导和辐射会污染电磁环境，影响电网和发电系统的工作效率，干扰通信设备和电子产品，是公认的电力公害。

本文将结合开关电源产生EMI的原理，提供滤波抑制的具体方法，帮助大家有效解决电磁干扰问题。

开关电源的基本工作原理

开关电源主要通过整流器与电力网相连接，将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过逆变器转换成低压的高频交流电，再经过二次整流和滤波变成所需要的直流低电压。如图1所示。

图1 开关电源的结构框图

开关电源产生EMI的原理

开关电源产生EMI的原因较多，其中由基波整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。

基波整流器的整流过程是产生电流谐波的常见原因

一次整流回路的谐波干扰

工频正弦波电流通过全波整流电路的整流二极管后变成单向脉冲电流，此电流可分解为直流分量和一系列不同频率的交流分量之和。利用傅立叶变换得：

其中Im是正弦电流的峰值

实验表明，谐波（特别是高频谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使其前端电源波形发生畸变，另一方面通过电源线产生辐射干扰。

1万 · 2013-12-25 19:00

二次整流电路的谐波干扰

整流二极管在正向导通时，PN结的电荷被积累。因为二极管工作在高频通断状态，当二极管加反向电压时，积累的电荷不能立即消失，从而产生反向浪涌电流。由于线路存在分布电容、电感，高频浪涌电流流过时产生高频振荡，因此这些骚扰频谱丰富。

变压器电路产生的谐波

变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它生产的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频率较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：

1. 开关管的负载是高频变压器的初级线圈，是感性负载。当开关管导通时，级线圈中会产生很大的尖峰脉冲电压，形成干扰。

2. 当开关管关断时，高频变压器线圈中产生电动势e=-Ldi/dt，存储在电感中的能量和集电极的电阻、电容形成阻尼振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。该谐波电压通过电线不仅会影响变压器的初级线圈，还会返回配电系统，造成电网谐波干扰。

3. 由高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流回路可能产生较大的辐射干扰。同时，若滤波电容的滤波不足或高频特性不好，则高频电流通过一次整流回路以差模干扰的方式进入电网。谐波引发的问题很多，会引起变压器的损耗增加，造成电容器的过载故障，引起电力系统功率因数降低等，危害很大。

1万 · 2013-12-25 19:00

抑制开关电源EMI的滤波措施

干扰信号从电源输入端注入到公共电网，形成传导骚扰。传导干扰信号，可分为差模和共模两种形式。

差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。

差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。

基本滤波技术

滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰。

削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关电磁兼容性（EMC）标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在电源输入端加抗干扰（EMI）滤波器。EMI滤波器安装在电源线和开关电源之间。它仅允许工频电流通过，对提高开关电源的可靠性有重要作用。

常用的电源滤波器如图2所示。

图2 EMI基本滤波电路

图中滤波电容C1、C2、C3、C4与电感L1、L2组成共模л型滤波环节，用来滤除共模干扰。C0、C5是高频旁路电容，与电感L1、L2组成差模л型滤波环节，用来滤除差模干扰。

1万 · 2013-12-25 19:01

EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。开关电源的工作频率约为10kHz~100kHz。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就可以得到满意效果。

此外，在滤波电路中，还可以采用其他专用的滤波元件，如穿心电容、铁氧化磁环等，它们能够改善滤波特性，恰当的设计或选择滤波器，并正确的安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。

特种滤波器件

特种滤波器中的馈通型滤波器（如图3）及其延伸产品滤波阵列板和滤波连接器可有效解决高频滤波的问题。滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出。

图3 不同滤波电路的衰减特性

1万 · 2013-12-25 19:01

馈通滤波器的电路

滤波器的电路结构C型（单个穿心电容）、L形（一个穿心电容加一个电感）、T形（两个电感加一个穿心电容）、л型（两个穿心电容加一个电感）等，滤波器的电路器件越多，则滤波器的过渡带越短，阻带的插入损耗越大。选用滤波电路的依据是：

1. 对干扰的衰减量：滤波器的器件数量越多，一般对干扰信号的衰减越大（但有例外，当没有符合下面第3项的原则时，衰减量可能与器件数量较少的一样）。

2. 有用信号与干扰信号在频率上的差别：有用信号与干扰信号的频率相差越小，需要滤波器的器件数量越多。

3. 使用滤波器的电路的阻抗：一个基本的原则是，滤波器中的电容对着高阻抗电路，电感对着低阻抗电路。这里的所谓高低，可以以50Ω为参考。

馈通滤波器的使用方法

馈通滤波器的使用方法有以下三种：

1. 安装在屏蔽体（屏蔽盒、屏蔽机箱）的面板上。

这是最基本的使用方法，当有导线要穿过屏蔽体时，就需要在屏蔽体的面板上安装馈通滤波器，使导线通过馈通滤波器缠裹屏蔽体。

2. 安装在线路板的底线层上，如图4。

图4 馈通滤波器安装在PCB板

1万 · 2013-12-25 19:01

在多层线路板上，可以利用线路板的地线层做隔离层和接地层。

1. 安装在电路之间的隔离板上，如图5。

图5 馈通滤波器安装在隔板上

2. 当条件不具备，馈通滤波器不能安装在屏蔽体面板或地线面上时，安装在金属隔离板上也具有普通电容（包括三端电容）不可比拟的高频滤波作用。

滤波阵列板与滤波连接器

滤波阵列板和滤波连接器是馈通滤波器概念的两种延伸。当需要滤波的导线数量较多时，逐个焊接或安装馈通滤波器是十分烦琐的事，这时可使用滤波阵列板或滤波连接器，滤波阵列板上的滤波器已经由厂家使用特殊工艺焊接好，性能可靠、使用简便。滤波阵列板上的滤波器的间隔为2.54mm,因此扁平电缆的接头可以直接插上，避免了逐根焊线的繁琐，便于组装。滤波阵列板一般用在机箱内部。

对于机箱外部的电缆进行滤波必须使用滤波连接器，这样才便于电缆的插拔。一般滤波连接器的外形尺寸与普通连接器是完全相同的，可以直接取代普通连接器。

不同的是滤波连接器的每个针孔上安装了一个低通滤波器，滤除信号线上的高频干扰。

使用滤波阵列板时，要注意的问题是：一定要在滤波阵列板与安装面板之间安装电磁密封衬垫，否则在缝隙处会有很强的电磁泄露。

1万 · 2013-12-25 19:02

自制滤波连接器

滤波连接器对于解决电缆造成的干扰十分有效。但是滤波连接器的价格一般较高，并且不是所有型号的连接器都有对应的滤波连接器。这给实际工程带来很大不便。如果对空间的限制不严，可以自己制作滤波连接器，其效果与成品相同。

自制滤波连接器的方法有两个，一个是在设备面板上选好连接器后，在连接器的后面装一个屏蔽盒，屏蔽盒上安装馈通滤波器（或滤波阵列板）如图6所示；另一个方法是将选好的连接器与馈通滤波器（阵列板）安装在一个独立的金属盒内，构成一个滤波部件。

图6 自制滤波连接器

怎样确定滤波器的参数

选用滤波器时，最重要的3个参数是额定电流、额定电压和截止频率。

1万 · 2013-12-25 19:02

额定电流就是指流过滤波器的信号电流，一般很好确定。

电压的确定：如果所滤波的导线不会受到静电放电、电流脉冲、浪涌等高压的冲击，电路的工作电压就是滤波器额定工作电压。否则，如拖在设备外部的电缆，会受到高压的冲击，此时需要充分考虑这种情况。一般额定工作电压要达到200V以上。

截止频率的确定：信号线滤波器的截止频率定义为插入损耗为3dB时频率。截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能性信号的带宽，保证设备的正常工作，同时最大限度地滤除不必要的高频干扰。对于模拟信号，只要保证截止频率大于信号的带宽即可。对于数字脉冲信号，截止频率可定为1/лtr，tr是脉冲的上升/下降时间。如果是周期性脉冲信号，也可以取脉冲重复频率的15倍作为截止频率。

滤波电容值的确定：电容值越大，滤波器的截止频率越低，对于单个电容的滤波电路而言，截止频率为Fco=1/(2лRpC)，Rp是源电路阻抗与负载电路阻抗的并联值。

结束语

电磁干扰的形式和种类很多，传播方式、干扰途径不尽相同，许多厂家通过实践有更多更好的措施来抑制电磁干扰。如何有效抑制电磁干扰是我们不懈研究的方向。

利用滤波器有效抑制开关电源电磁干扰问题的探讨

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