开关电源输入EMI滤波器设计与Pspice仿真

1开关电源特点及噪声出现原因

随着电子技术的高速发展，电子设备种类日益增多，而任何电子设备都离不开稳定可靠的电源，因此对电源的要求也越来越高。开关电源以其高效率、低发热量、稳定性好、体积小、重量轻、利于环境保护等优点，近年来取得快速发展，应用领域不断扩大。开关电源工作在高频开关状态，本身就会对供电设备出现干扰，危害其正常工作；而外部干扰同样会影响其正常工作。开关电源干扰重要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形。这些波形的电流泄漏到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声，泄漏到输出部位就形成了波纹问题。考虑到电磁兼容性的有关要求，应采用EMI电源滤波器来抑制开关电源上的干扰。文中重要研究的是开关电源输入端的EMI滤波器。

2EMI滤波器的结构

开关电源输入端采用的EMI滤波器是一种双向滤波器，是由电容和电感构成的低通滤波器，既能抑制从交流电源线上引入的外部电磁干扰，还可以防止本身设备向外部发出噪声干扰。开关电源的干扰分为差模干扰和共模干扰，在线路中的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰是火线与零线之间出现的干扰，共模干扰是火线或零线与地线之间出现的干扰。抑制差模干扰信号和共模干扰信号普遍有效的方法就是在开关电源输入电路中加装电磁干扰滤波器。EMI滤波器的电路结构包括共模扼流圈(共模电感)L，差模电容Cx和共模电容Cy。共模扼流圈是在一个磁环(闭磁路)的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。两个线圈的磁通方向一致，共模干扰出现时，总电感迅速增大出现很大的感抗，从而可以抑制共模干扰，而对差模干扰不起用途。为了更好地抑制共模噪声，共模扼流圈应选用磁导率高，高频性能好的磁芯。共模扼流圈的电感值与额定电流有关。差模电容Cx通常选用金属膜电容，取值范围一般在0．1～1μF。Cy用于抑制较高频率的共模干扰信号，取值范围一般为2200～6800pF。常选用自谐振频率较高的陶瓷电容。由于接地，共模电容Cy上会出现漏电流Ii-d。因为漏电流会对人体安全造成伤害，所以漏电流应尽量小，通常<1．0mA。共模电容取值与漏电流大小有关，所以不宜过大，取值范围一般为2200～4700pF。R为Cx的泄放电阻。电源滤波器的性能很大程度上取决于其端阻抗，根据信号传输理论，滤波器输入端与电源端的端接、滤波器输出端与负载端的端接应遵循阻抗极大不匹配原则。因此，滤波器设计时应遵循：(1)源内阻是高阻(低阻)的，滤波器输入阻抗就应该是低阻(高阻)；(2)负载是高阻(低阻)的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻(高阻)。对EMI信号来说，电感是高阻，电容是低阻，则有图1中的4种滤波器选用类型。

电源滤波器一般用来抑制30MHz以下频率范围的噪音，但对30MHz以上的辐射发射干扰也有一定的抑制用途。根据开关电源共模、差模干扰的特点。可以按干扰的分布大概划分为3个频段：O．15～0．5MHz差模干扰为主；0．5～5MHz差模、共模干扰共存；5～30MHz共模干扰为主。

3插入损耗

插入损耗是评价滤波器性能的重要指标，它是频率的函数。插入损耗的含义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率p1和接入滤波器后噪声源传输到负载的功率p2之比，用dB表示。插入损耗越大，说明滤波器抑制干扰的能力越强。滤波器接入前后的电路图，如图3(a)和图3(b)所示。滤波器的插入损耗由式(1)表示。

4三端电容器

在高频线路中，因为一般电容器的引线具有电感分量，所以影响了其高频特性。而三端电容器在结构上可以做到与电容器串联的剩余电感分量很小，因此其插入损耗特性优于两端电容器，从而改善了电容器的高频特性。三端电容器有引线式和片状式两种。