開關(guān)電源EMC濾波電路的設(shè)計(jì)

1、陶顯芳2013.07.261世世界界各各國國的的安安全全認(rèn)認(rèn)證證標(biāo)標(biāo)志志EMIEMI、EMCEMC與安全均需權(quán)威部門進(jìn)行認(rèn)證與安全均需權(quán)威部門進(jìn)行認(rèn)證!23 EMIEMI是電磁干擾（Electromagnetic Interference）的縮寫。 EMI是指任何能使設(shè)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(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中，符合要求運(yùn)行，并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)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(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)器本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS，是指機(jī)器在執(zhí)行應(yīng)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(dǎo)干擾和輻射干擾。目前，產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備主要是設(shè)備中的開關(guān)電源

3、。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號是通過導(dǎo)線或公共電源線進(jìn)行傳輸，互相產(chǎn)生干擾。傳導(dǎo)干擾又分共模干擾和差模干擾。輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號是通過帶電導(dǎo)體產(chǎn)生的電、磁感應(yīng)產(chǎn)生的，通過電、磁感應(yīng)可把某個電路網(wǎng)絡(luò)中的干擾信號傳給另一個電路網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。輻射干擾又分電場輻射和磁場輻射。目前，傳導(dǎo)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(dāng)調(diào)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(guān)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(yán)重。45 電磁感應(yīng)是產(chǎn)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(zhì)不同，可攜帶能量的介質(zhì)，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(zhuǎn)換；當(dāng)某處電磁場的位能產(chǎn)生變化時，整個宇宙空間中的電磁場都需要重新進(jìn)行分布，并以每秒鐘30萬公里的速度在真空中進(jìn)行傳播，因此，電、磁干擾無處不在。 產(chǎn)生電場干擾的基本原因，是帶電物體的電荷在重新進(jìn)行分布，相當(dāng)于分布電容在不斷進(jìn)行充放電；產(chǎn)生磁場干擾的基本原因，是流過導(dǎo)體中的電流大小和方向在不斷改變，相當(dāng)于分布電感產(chǎn)生的磁通的大小和方向在不斷變化。 電

5、磁感應(yīng)分電感應(yīng)和磁感應(yīng)，與電感應(yīng)相關(guān)的是分布電容，而與磁感應(yīng)相關(guān)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(guān)鍵。電磁感應(yīng)與電磁干擾電磁感應(yīng)與電磁干擾電場感應(yīng)與電場感應(yīng)與電容電容帶電物體本質(zhì)上就相當(dāng)于一個充了電的電容，在它的周圍會產(chǎn)生電場，并使周圍的導(dǎo)體感應(yīng)帶電。電容C就相當(dāng)與兩個帶電物體互相產(chǎn)生電場感應(yīng)的系數(shù)。6孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 在帶電導(dǎo)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(zhì)。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(shè)孤立導(dǎo)體帶的電荷量為Q，電位為U，則電荷量Q與電位U的關(guān)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(guān)的常數(shù)，

6、它與導(dǎo)體的幾何形狀和大小有關(guān)，所以人們把這個比例系數(shù)C稱為孤立導(dǎo)體的電容。電容的物理意義是帶電導(dǎo)體每升高（或降低）單位電位（電壓）所需要的電荷量。 孤立球?qū)w的電容等于表面積除以半徑：把帶電體當(dāng)成一個電容看待，就可以對電路進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算。 地球的電容量對于無限遠(yuǎn)處約為：708uF，相對于電離層大約為1.1F。（對于無限遠(yuǎn)處）7r4UQC電容與電容器電容與電容器 1UQ1C 2UQ2CC1C2U1U2V無限遠(yuǎn)無限遠(yuǎn)帶負(fù)電帶正電電容器可以看成是兩個孤立導(dǎo)體的組合，其中一個帶正電，另一個帶負(fù)電。兩個孤立導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)生的電場，相互感應(yīng)的結(jié)果。QVQU2QU1C21C11C1VQC 即，兩個孤立導(dǎo)體之間的電容為：8相當(dāng)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(dǎo)體的面積，及遠(yuǎn)離其它電路，或降低工作頻率，兩根互相干擾的導(dǎo)體盡量不要互相平行。電場感應(yīng)干擾的等效電路電場感應(yīng)干擾的等效電路m2mCCC耦合系數(shù)9磁場感應(yīng)干擾的等效電路磁場感應(yīng)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(yuǎn)離其它電路，或降低工作頻率，兩根互相干擾的導(dǎo)體盡量不要互相平行。K 耦合系數(shù)M 互感回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾11 我們可以把每個回路都看成是一個感應(yīng)線圈，當(dāng)某個回路中有電流流過時，另外一個回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)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(guān)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(yīng)該盡量減小i3、i4的電流回路的面積。當(dāng)某個回路中有電流流過時，在另一個回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)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(jī)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(yán)重。降低輻射干擾的方法，一個是對干擾源進(jìn)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(dǎo)體的面積及長度（降低電場干擾）。12各電流回路之間產(chǎn)生串?dāng)_各電流回路之間產(chǎn)生串?dāng)_變壓器漏磁對回路產(chǎn)生電磁感應(yīng)變壓器漏磁對回路產(chǎn)生電磁感應(yīng)13 在所有電磁感應(yīng)干擾之中，變壓器漏感產(chǎn)生的干擾是最嚴(yán)重的。如果把變壓器的漏感看成是變壓器感應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生干擾信號。除了變壓器漏感之外，還有分布電容，當(dāng)電流流過漏感與分布電容組成的回路時，會產(chǎn)生很高的di/dt和dv/dt值，從而使漏感產(chǎn)生的漏輻射更加嚴(yán)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(jìn)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(guān)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(yán)重漏磁與分布電容組成的電流回路輻射最嚴(yán)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(dāng)Q1導(dǎo)通和關(guān)斷時，輸入電壓或電流的改變，都會使Ls和Cs、Cds產(chǎn)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(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，并且還會產(chǎn)生很高的尖峰脈沖電壓，很容易把開關(guān)管擊穿。) 1sin(sinteULLLUteUutscstcscs) 1sin(teUutcsssCL1sRC21)2sin(teUutdcdssCL1Q1導(dǎo)通時：2LR Q1關(guān)斷振蕩頻率：；衰減因子：Q1關(guān)斷時：振蕩頻率：；衰減因子： Q1導(dǎo)通初級線圈的波形分布電容的波形開關(guān)管的波形15漏感與漏感與分布電

12、容會分布電容會產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊振蕩產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊振蕩用銅箔對變壓器進(jìn)行屏蔽 16 對變壓器屏蔽，主要是減小變壓器漏感產(chǎn)生的磁通對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)干擾，以及對外產(chǎn)生電磁輻射干擾。 對變壓器屏蔽，可用導(dǎo)磁良好軟磁材料，直接對漏磁通進(jìn)行屏蔽，也可以用導(dǎo)電性能良好的銅箔進(jìn)行間接屏蔽；當(dāng)交變漏磁通穿過銅箔的時候會在銅箔產(chǎn)生渦流，而渦流產(chǎn)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(chǎn)生的磁通竄到接收回路中產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的電動勢、磁通、面積、磁通密度。17EMCEMC濾波電路設(shè)計(jì)濾波電路設(shè)計(jì)當(dāng)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(nèi)電壓低于24V。大地當(dāng)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(guān)變壓器次級線圈的中心或?yàn)V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(jì)算差模干擾濾波電路的計(jì)算19第一步:我們先計(jì)算濾波電容器Co兩端的紋波電壓。圖2(b)中， iL01為流過開關(guān)變壓器T1的勵磁電流（鋸齒波），Ua為開關(guān)電源工作電壓，Uc為濾波電容器Co的紋波電壓，Ton為開關(guān)電源管導(dǎo)通時間， Toff為開關(guān)電源管關(guān)斷時間，DIo為開關(guān)管產(chǎn)生差模干擾信號（鋸齒波），DI1為經(jīng)濾波電容Co濾波后輸出的差模干擾信號，DI2為經(jīng)L1、C1濾波后輸出的差模干擾信號，DI2為經(jīng)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(jì)

15、算過程計(jì)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(dǎo)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(guān)電源的平均工作電流：（5），P 為開關(guān)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(guān)電源的平均工作電流。第二步: 我們再來計(jì)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(rèn)為，DI1電壓幾

16、乎全部降在L1上，因此有：計(jì)算過程計(jì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳導(dǎo)干擾信號最大值為40db/uV，如果再預(yù)留6db的余量，就是50uV（約等于100uVpp），與前面計(jì)算結(jié)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(shè)L1、C1這級濾波器衰減量為16倍，根據(jù)假設(shè)條件，可求得：Uc11563uVpp。進(jìn)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(jì)算，這是因?yàn)閁是個鋸齒波，在Ton期間，U的變化量正好對應(yīng)鋸齒波的下降時間，其值變化范圍由+Vp變到-Vp。最后計(jì)算結(jié)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(jì)算過程計(jì)算過程-3-322上面（6）、（9）、（10）、（11）式就是計(jì)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(shí)際應(yīng)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(jì)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(jì)算說明： 假設(shè)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(guān)電源產(chǎn)生的差模傳導(dǎo)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(jì)算，這是因?yàn)閁

19、是個鋸齒波，在Ton期間，U的變化量正好對應(yīng)鋸齒波的下降時間，其值變化范圍由+Vp變到-Vp。最后計(jì)算結(jié)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(shí)際應(yīng)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(jì)算結(jié)果對于直接傳導(dǎo)的差模基波信號進(jìn)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(chǎn)生串聯(lián)諧振，而電感器中的分布電容會與電感產(chǎn)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