開關電源輸入濾波電路的優(yōu)化設計研究

1、開關電源輸入濾波電路的優(yōu)化設計研究 摘 要：原有的輸入濾波電路結構復雜，所用元器件較多，卻還不能達到EMC指標要求。為此，本文提出了一個簡單實用的拓撲結構，并詳細介紹了輸入濾波電路的設計方法，理論分析和測試結果證明了該方法的可行性和實用性。關鍵詞：電磁干擾 電磁兼容 輸入濾波電路 開關電源 引言開關電源是通訊系統(tǒng)的動力之源，已在通信領域中達到廣泛應用。但由于其高頻率、寬頻帶和大功率，它自身就是一個強大的電磁干擾（EMI）源，嚴重時會導致周圍的電子設備功能紊亂，使通訊系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯誤、出現(xiàn)異常的停機和報警等，將造成不可彌補的后果；同時，開關電源本身也置身于周圍電磁環(huán)境中，對周圍的電磁干擾也很敏感

2、（EMS），如果沒有很好的抗電磁干擾能力，它也就不可能正常工作。因此，營造一種良好的電磁兼容（EMC）環(huán)境，是確保電子設備正常工作的前提，且也成為電子產(chǎn)品設計者的重要考慮因素。不僅如此，國內外已有多種法規(guī)和標準對電子產(chǎn)品的電磁干擾限值和靈敏度作出規(guī)定和限制。歐共體有關EMC的委員會于92年制定了相關法令，96年開始生效，法令規(guī)定不符合EMC標準的產(chǎn)品不得進入市場，同時將EMC認證和安規(guī)認證作為產(chǎn)品認證的首要條件。我國信息產(chǎn)業(yè)部也多次召開電磁兼容標準論證會，并作出規(guī)定：2001年1月1日以后進入市場的產(chǎn)品必須有EMC標志。可見，電磁兼容（EMC）認證已是產(chǎn)品順利進入市場并走出國門最基本的要求。但

3、是，由于以前設計的電源產(chǎn)品，對EMC重視不夠，致使所有的電源產(chǎn)品幾乎均超標，已經(jīng)影響到公司電源產(chǎn)品的銷售，因此，解決這一問題已是迫在眉睫。而影響電源EMC超標的主要原因就是：輸入濾波電路的設計不合理。到目前為止，還沒有介紹電源輸入濾波電路設計方法的報道。本文首次對電源輸入濾波電路設計方法進行全面、詳細的討論，提出了一套簡單實用的濾波電路，并應用到我司的電源產(chǎn)品中。給出的測試結果和理論分析證明了該設計方法的實用性和可行性。 輸入濾波電路的拓撲結構優(yōu)化設計輸入電路中主要包含五個元件：共模、差模電感，X、Y電容，放電電阻。輸入濾波電路的設計，事實上就是將這些元件如何進行組合的問題，但在進行組合時必須

4、遵循一定的原則。1、 對輸入濾波電路的要求11 雙向濾波功能。對電網(wǎng) 開關整流器及開關整流器 電網(wǎng)的干擾信號均有很好的濾波效果。12 能抑制共模和差模干擾。能抑制相線與相線、相線與中線之間的差模干擾及相線、中線與大地之間的共模干擾。工程設計中重點考慮共模干擾的抑制。為了抑制差模和共模干擾，通常的在濾波電路中同時包含有差模和共模電感，但基于以下原因差模電感可去掉：（1） 共模干擾的影響更大，而差模干擾的影響要小得多。一方面同樣程度的共模和差模干擾，共模干擾所產(chǎn)生的電磁場輻射高出差模34個量級；另一方面，共模干擾信號通過機殼或地阻抗的傳導和耦合對其它的電源和系統(tǒng)也會產(chǎn)生干擾。（2） 共模電感中含有

5、差模的成分。共模電感存在漏感且其兩線圈不可能完全對稱，所以其本身就可起到差模電感的作用，能抑制電路中的差模干擾。（3） 電容的選擇有利于抑制差模干擾。差模（X）電容通常比共模（Y）電容大得多。13 滿足最大阻抗失配原則。這里的阻抗是指相對工頻而言頻率較高的干擾信號來說的。對輸入濾波電路而言電網(wǎng)相當于源，而開關整流器則相當于負載。所謂阻抗最大失配就是：當源或負載對高頻干擾信號的等效內阻為低阻時，輸入濾波器應呈高阻；反之則應呈低阻。通常電網(wǎng)是一電壓源，而開關整流器本身從輸入端看進去，就共模干擾信號而言等效于一個電容和電流源的并聯(lián)，因此，對高頻信號二者均屬于低阻。14 工頻等效阻抗盡可能低，高頻(高

6、于某一截止頻率的信號)等效阻抗盡可能高(插入損耗盡可能大)。頻段范圍為幾十KHZ幾百MHZ。這一點主要取決于元器件、原材料的選擇及其參數(shù)。2、 優(yōu)化的輸入濾波電路根據(jù)上面的要求，可得到優(yōu)化的輸入濾波電路如圖1.所示，從圖中可看出：與傳統(tǒng)的輸入濾波電路相比，該濾波電路去掉了差模電感，濾波器的輸入輸出也不需再加共模電容。圖1. 優(yōu)化的輸入濾波電路 上圖中：R1為放電電阻；L1、L3為低頻共模電感；L2為高頻共模電感；CX1、CX4為X電容；CY1CY4 為Y電容。輸入濾波電路元器件選擇和參數(shù)計算 濾波電路的拓撲結構確定以后，接下來的問題就是元器件的選擇及其參數(shù)的計算，下面將以50A單體為例，詳細介

7、紹元器件和原材料的選定原則、參數(shù)計算方法及電感的繞制工藝要求等。1 放電電阻放電電阻R1的選擇原則是：在容許的情況下，阻值越小越好，以給X電容容量的選擇留下足夠的空間。R1的選擇還應考慮耐壓（通常選金屬氧化膜電阻，電壓按0.75降額）和功耗（按額定功率的0.6降額）。假設，所選電阻的額定功率為Pr，承受的最高輸入電壓有效值為Vinmax，則有： R1> (Vinmax)2/(0.6×Pr) （1）如：設Pr=2W，Vinmax=300V，則R1>75K，可取R1=100K。R1的另一限制是：其承受的瞬時功耗不能超過額定功率的四倍。R1承受的瞬時最大功耗與浪涌或雷擊經(jīng)過防護

8、電路后的殘壓有關。設殘壓為1200V，則R1還應滿足： R1> 12002/(4×Pr) （2）將Pr=2W代入上式得R1>180K，所以取R1=100K不滿足這一條件，綜合考慮應取R1=200K較合理。在此要注意：從放電電阻R1承受的瞬時功耗方面考慮，R1的位置也很重要，放在最前面顯然不合適，放在中間某一位置或后面較好。如果想要將R1進一步減小，可采用兩個或多個電阻并聯(lián)的形式，這可根據(jù)具體情況而定。對于50A單體采用兩個電阻并聯(lián)，則放電電阻為R1=100K。2、 X、Y電容21 X電容（1） X電容容量的選定X電容容量的選擇受到放電時間的限制，根據(jù)安規(guī)要求，斷電后輸入端

9、口電壓放電到安全電壓峰值42.4V的時間不超過1S，可根據(jù)下面的經(jīng)驗公式估算：設Cx為所有X電容的總和。 Cx<1/(2.2×R1) （3）將R1=100K代入上式得：Cx<4.5uF，可取Cx=4.4uF，如圖4所示的電路中，X電容共有兩個，每個X電容的容量為2.2uF。（2） X電容的耐壓要求X電容的選擇還要考慮耐壓能力（按額定電壓的0.6降額）：由于X電容靠近電源線輸入端，所以必須具備承受瞬時高電壓（高達1200V）的能力。（3） X電容的頻率特性（低的ESR和ESL）：對同樣材質的電容器，容量越小，頻率特性越好。電容器典型的頻率特性是：隨著頻率的增加，電容總的等效

10、容抗減小，但當頻率增加到某一值時，容抗卻反而開始增加。假設把這一頻率定義為電容容抗的轉折頻率，則電容容量越小，轉折頻率越高即頻率特性越好。因此，為得到相同的電容量，可采用將若干小容量電容并聯(lián)的方式，這樣可提高電容的高頻特性。綜上所述，在圖4.所示的電路中的X電容，可選“金鞍”電容（R.46），每個X電容可選用2.2uF電容。其額定電壓為275Vac，瞬時耐壓為：1500Vac/1S，2500Vac/0.1S。22 Y電容（1） Y電容容量的選定Y電容容量的選擇受到漏電流的限制，根據(jù)安規(guī)要求，在額定輸入電壓下，相線或零線對地的漏電流不超過3.5mA。假設相線或零線分別對地的電容為Cy，則有：22

11、0×2fo×Cy<3.5mA （4） 上式中：fo=50HZ為工頻頻率，代入上式可得Cy=(Cy1+Cy3)=(Cy2+Cy4)<0.056uF，考慮到設備本身還有一定的漏電流，取Cy=0.02uF。則圖4中的每個Y電容為0.01uF。（2） Y電容對頻率特性的要求參考X電容的選擇。在選擇X、Y電容時，用相對較小的電容通過并聯(lián)獲得滿足要求的容量較大的電容尤為重要，這將大大改善電容的高頻特性。電容的頻率特性還有一重要特點就是：在低于轉折頻率時，容抗和頻率的關系為：Zc=1/(2fC)即單個電容的容量越大容抗越小；但是在頻率超過轉折頻率后，隨著頻率的增加，不同容量的

12、電容的總的容抗趨于相同。也就是說，對于超高頻（頻率大于50MHZ）的信號而言，不同容量的電容（對單只而言），抑制高頻干擾的效果是一樣的，如0.1uF等同于0.001uF。所以，僅依靠增加單只電容容量想要提升電路抑制干擾的能力是不可能的，相反采用多個電容的并聯(lián)卻能得到比較理想的效果。 綜上所述，在圖4.所示的電路中的Y電容，可選“金鞍”電容（R.41），每個Y電容可選用兩個4700PF或三個3300PF電容并聯(lián)。其額定電壓為275Vac，瞬時耐壓為：2500Vac/1S，5000Vac/0.1S。3、 共模電感31 磁性材料的選擇在選擇磁芯材料時，從兩方面考慮：一是工作頻率范圍寬（幾十K1GHZ

13、），即在很寬的頻率范圍內，有比較穩(wěn)定的磁導率；二是磁導率較高，這可在保證相同的電感量的同時，減小繞制線圈的匝數(shù)，最大程度地減小分布電容。但是，對同一磁芯材料而言很難同時滿足上述兩個要求，二者實際上是一對矛盾。要使共模電感能在要求的頻率范圍內正常工作，不得不分段選擇磁芯。共模電感的磁芯通常選擇鐵氧體材料。鐵氧體主要分成兩類：NIZN和MNZN。NIZN的磁導率較低（小于1000），但在很高的頻率時（大于100MHZ），磁導率仍保持不變；而MNZN有較高的磁導率，但在較低的頻率（不到20KHZ）時，磁導率就開始有下降的趨勢。由于NIZN初始磁導率較低，低頻時不可能產(chǎn)生很高的阻抗，因此他們通常用來抑

14、制10MHZ到20MHZ以上的噪聲。而MNZN在低頻時，有很高的磁導率，用來抑制10KHZ50MHZ范圍的EMI噪聲，非常合適。因此，用于繞制抑制較低頻率干擾的共模電感通常選用MNZN材料；而抑制超高頻干擾則選用NIZN材料較為合適。對圖1所示的電路，L1、L3選用MNZN材料，L2則選用 NIZN材料。32 共模電感量的計算 在Y電容Cy選定以后，再根據(jù)要求（最好能知道開關整流器的頻譜特性）確定一截止頻率f0，則LS可根據(jù)下式求得： LS=1/（2f0）2Cy （6）（1） L1、L3的確定前面已提到L1、L3適用于頻率較低的范圍。假設fo=20KHz，Cy=Cy1+Cy3=0.02uF代入

15、（6）式得：LS=3.2mH。因此，可取L1=L3=3.2mH。（2） L2的確定前面已提到L2適用于頻率較高的范圍。假設fo=200KHz，Cy=Cy1=0.02uF代入（6）式得：LS=32uH。33 磁芯尺寸的選擇和繞制匝數(shù)的計算磁芯的選擇原則是：對L1和L3，磁導率盡可能高，在容許的情況下，尺寸盡可能大；對繞制L2的磁芯，必須保證有很好的高頻特性，在這一條件下，磁導率盡可能高，尺寸盡可能大。下面是磁芯尺寸的選定和匝數(shù)計算步驟： 第一步 輸入電流線圈尺寸的確定：輸入電流將決定繞制線圈的直徑，電流密度通常定為46A/mm2，當然還要考慮所能容許的溫升。繞制線圈采用單股線，一方面可減少成本；

16、另一方面，可通過集膚效應進一步抑制噪聲。假設流過電感線圈的最大電流有效值為Iinmax，電流密度為6A/mm2，則繞制線圈的直徑為： (mm) （7） 第二步：選擇滿足尺寸要求的磁芯。如果對磁芯的尺寸有特殊要求，根據(jù)要求選定，否則可根據(jù)經(jīng)驗選定。第三步：計算磁芯能繞下的最大匝數(shù)。共模電感的繞制通常為單層，包含有兩組線圈，為了絕緣，兩組線圈分布在磁芯的兩邊，分別所占據(jù)的弧度不能超過160度。多層繞制很少見，因為這將使分布電容增加，影響共模電感的高頻性能。前面已根據(jù)輸入電流確定了線圈的尺寸，再依據(jù)所選定的磁芯，就可計算最大匝數(shù)了。如果選定磁芯內徑為Df，繞制電感的線徑為D，則該磁芯能繞下的最大匝數(shù)

17、為Nmax： Nmax=160××(Df-D)/(360×D) （8）第四步：根據(jù)磁芯的磁導率或電感因子，估算電感。如果磁芯磁導率為，對應的電感因子為AL，單位為：nH/N2，則電感可根據(jù)下式進行估算： L=Nmax2×AL/106 (mH) （9）第五步：校正電感。如果上式計算的電感小于LS，則應選磁導率更大或磁芯尺寸更大的材料，重復上述過程，直到L>Ls為止。當然也可在磁芯維持不變的情況下，減小線圈尺寸，增加匝數(shù)，以使電感量變大，但這會增加銅損（建議盡可能不采用此方法）。再補充一點：在體積容許的情況下，盡可能選用大一些的磁芯，這可在保證相同的電

18、感量時，減少線圈匝數(shù)，使分布電容減小。*下面我們就以50A單體為例說明磁芯材料的選擇和匝數(shù)計算方法：(1) L1=L3=3.2mH，輸入最大電流有效值為Iinmax=18A.設計步驟如下：第一步：確定繞線尺寸。=2mm第二步：選擇滿足尺寸要求的磁芯。選用環(huán)形Mn-Zn鐵氧體材料MAO7A，型號為R48×30×15，AL=9870(nH/N2)，內徑為Df=30±0.5mm=29.5mm。第三步：計算磁芯能繞下的最大匝數(shù)。 Nmax=160××(Df-D)/(360×D) =160××(29.5-2)/(360

19、15;2)=19.2N 取Nmax=18N第四步：根據(jù)磁芯的磁導率或電感因子，估算電感。 L=Nmax2×AL (mH)= 182×9870/106 (mH)=3.2mH第五步：校正電感。從上式可得計算的電感等于LS， 磁芯選擇正確。(2) L2的計算,L2=30uH, 輸入最大電流有效值為Iinmax=18A.設計步驟如下：第一步：確定繞線尺寸。=2mm第二步：選擇滿足尺寸要求的磁芯。選用環(huán)形NI-Zn鐵氧體材料B8#，型號為RH28.3×28.5×13.8，內徑為Df=13.8mm,磁導率為800。第三步：計算磁芯能繞下的最大匝數(shù)。 Nmax=160

20、××(Df-D)/(360×D) =160××(13.8-2)/(360×2)=8N 取Nmax=8N第四步：根據(jù)磁芯的磁導率或電感因子，估算電感。 Ae =2.07cm2,Le=6.61cm L=Nmax2×µr µ0 Ae /le= 82×800×2.07×4×3.14×10-7×10-4/(6.61×10-2 )(mH)=200uH第五步：校正電感。從上式可得計算的電感大于LS，為減小分布電容,磁芯不變,減少匝數(shù)。設為3匝,重復上

21、述計算可得:L=30uH=Ls.3 4 電感的繞制工藝（1） 單層繞制：采用單層繞制，可有效的減小分布電容。在選用材料時，環(huán)形磁芯的體積應足夠大，以確保單層繞制時的線圈匝數(shù)。（2） 繞制線圈采用單股線：采用單股線，可利用集膚效應有效的抑制高頻干擾信號。頻率越高，由于集膚效應產(chǎn)生的等效高頻阻抗就越大。（3） 線圈的繞制范圍：由于共模電感在一個環(huán)形磁芯上繞制了兩組線圈，為了保證兩組線圈的絕緣性能，兩組線圈分別占據(jù)的弧度不能超過160度。（4） 溫度和應力的影響：一個共模電感除了磁芯外，還包含了三種材料，線圈、絕緣材料和密封材料（清漆）。（a） 絕緣材料是包裹在磁芯上的，用于使磁芯和電感線圈絕緣。共

22、模電感在工作時，會有較高的溫升，由于絕緣材料有自身的溫度限制，很容易因溫度過高而損壞，以至影響絕緣性能，所以在選擇絕緣材料時，要注意其耐高溫的性能。（b） 密封材料是電感線圈繞制完成后，最后一道工序例如清漆等所使用的材料、灌封的環(huán)氧等，用于加強絕緣和防潮。如果這些密封材料的熱膨脹系數(shù)與鐵氧體材料有差異，就會對鐵氧體產(chǎn)生應力。但是鐵氧體材料的性能對機械應力尤為敏感，特別是高導磁率的材料，在很小的應力下，磁導率就會減少許多。因此在選用密封材料時，一定要使它與鐵氧體材料有盡可能相同的熱膨脹系數(shù)。（c） 在繞制線圈時也會產(chǎn)生較大的應力：通常在鐵氧體磁芯上繞制線圈時，線圈拉得很緊，加之溫度變化引起的熱長冷縮均會產(chǎn)生較大的應力，影響鐵氧體材料的性能。為了減小由此產(chǎn)生的應力，可在磁芯上墊一種類似橡膠的軟材料，以減小應力。四、 輸入濾波電路印板設計印板的布線設計與濾波器所使用的元器件（如：X、Y電容，共模電感和放電電阻等）的布置有關，在進行設計時需考慮以下幾方面的問題：（1） 濾波器的輸入輸出線要分開，最好分別從印板的兩邊引出，以免相互耦合或形成環(huán)路，而且引線要盡可能短。（2） 元器件布置要合理，引腳或引線盡可能短而粗。每個元器件的輸入或輸出必須嚴格分開，分別從兩側引出，如果從兩側引出受到限