开关电源EMI滤波器设计

摘要：分析了一种典型的开关电源电路，利用Pspice软件对其传导电磁干扰进行仿真研究，以TDK公司提供的元器件模型，提出了一种二阶无源EMI滤波器，完全消除了电路输出信号中的尖峰干扰，抑制了开关电源电路中的共模、差模噪声。同时，研究源和负载理想、非理想阻抗特性对滤波器插入损耗的影响，具有一定的意义。
关键词：开关电源；寄生参数；尖峰干扰；TDK

    开关电源以其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等方面的优点，广泛应用于工业、国防、家用电器等各个领域。然而，开关电源中功率半导体器件的高速通断及整流二极管反向恢复电流产生了较高的du／dt和di／dt，它们产生的尖峰电压和浪涌电流成为开关电源的主要干扰源。文中给出的电源滤波器元件主要基于TDK公司提供的模型，该模型考虑了元件的高频寄生参数，更符合工程应用。

1 开关电源EMI产生机理
1．1 开关电源的电磁干扰源
    (1)开关管产生干扰。开关管导通时由于开通时间很短及回路中存在引线电感，将产生较大的du／dt和较高的尖峰电压。开关管关断时间很短，也将产生较大的di／dt和较高的尖峰电流，其频带较宽而且谐波丰富，通过开关管的输入输出线传播出去形成传导干扰；
    (2)整流二极管反向恢复电流引起的噪声干扰。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，二极管导通角变小，输入电流成为一个时间很短，而峰值很高的尖峰电流，含有丰富的谐波分量，对其他器件产生干扰。二级滤波二极管由导通到关断时存在一个反向恢复时间。因而，在反向恢复过程中由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰，同时产生反向恢复尖峰电流，形成干扰源；
    (3)高频变压器引起EMI问题。隔离变压器初、次级之间存在寄生电容，这样高频干扰信号很容易通过寄生电容耦合到次级电路，同时由于绕制工艺问题在初、次级出现漏感将产生电磁辐射干扰。另外，功率变压器电感线圈中流过脉冲电流而产生电磁辐射，而且在负载切换时会形成电压尖峰；
    (4)二次整流回路干扰。开关电源工作时二次整流二极管、变压器次级线圈和滤波电容形成高频回路，向空间辐射噪声；
    (5)元器件寄生参数引起的噪声。主要是开关管与散热片、变压器初、次级的分布电容及其漏感形成的干扰。
1．2 共模、差模传导干扰路径
    共模干扰主要为相、中线干扰电流通过M1漏极与散热片之间的耦合电容通过接地线形成回路，差模干扰则在相线与中线间形成回路，干扰路径如图1所示。

    参阅资料对比发现，如果将设计的EMI滤波器置于电网电源与Lisn之间，可以滤除来自交流电网的传导性性电磁干扰，但是并没有考虑开关电源电路中的传导性共、差模电磁干扰和输出信号中的强尖峰干扰。因此，有必要在开关电源输出端添加EMI滤波器用来进行干扰抑制，如图2即文中提出的开关电源相对应的二阶无源EMI滤波器结构。其中，开关电源输出为DC 30 V±1％。

2 应用PSPlCE软件仿真
2．1 滤波器输入输出结果比较
    如图2所示开关电源输出端接二阶无源EMI滤波器，利用电压探头可以测量滤波器输入、输出信号，仿真结果如图3所示。

    如图3所示，开关电源输出电压信号经过EMI滤波器后几乎没有衰减，对图3局部放大如图4所示。输出信号尖峰干扰完全滤除，同时由于该滤波器元器件采用TDK模型，均考虑了元件高频寄生参数的影响，因而更贴近实际的工程应用。一般开关电源设计中在变压器次级都有尖峰抑制器，但输出纹波电压稍大，若去除尖峰抑制器直接使用该滤波器后纹波电压减小约80％。
2．2 传导共模、差模干扰信号分析
    如图5所示为典型的Lisn电路图，对于工频(50 Hz或60 Hz)，电感感抗很小，电容容抗很大，因而交流信号可几乎无衰减的通过Lisn，而高频信号可很好的被阻隔。这里利用Pspice电压探头通过Lisn可以很容易的分离共模、差模信号。

    探头探测到的电压由相线或中线电流流过50 Ω电阻形成的，具体表达式为
   
    在Pspice中利用算法可以分离出共模与差模噪声，如图6所示。共模噪声低于30 dBμV，差模噪声低于50 dBμV。

    为了验证滤波器对CM、DM噪声的抑制作用，可以在滤波器输出端添加图5所示Lisn，分离出共模、差模噪声，如图7所示。

    如图7所示，共模噪声最大值为32 dBμV(1 ms)，在时域分析7 ms后出现负值。差模噪声电平最大值为3．94 dBμV(1 ms)，时域分析3 ms后出现负值，说明在滤波器输出端共模、差模噪声得到了较好的衰减。
2．3 EMI滤波器源及负载阻抗特性对插入损耗的影响
2．3．1 纯阻性阻抗对插损的影响
    图8(a)所示，源阻抗ZS为纯阻性，在1 Hz～30 MHz频段插损随着ZS的增大逐渐增大，图8(b)负载阻抗为纯阻性，在低频段插损随着ZL增
大逐渐增大，但在高频段负载变化几乎对插损没有影响。

2．3．2 感性阻抗对插损的影响
    图9(a)源阻抗为纯感性(不考虑寄生参数)，随着电感值的增加插损在f>1 kHz频段逐渐增大，谐振点插损相应提高。但在f<1 kHz，插损几乎不随电感取值的影响。图9(b)源阻抗为感性(考虑寄生参数)，插损随电感值的增大而增大，f>1 kHz插损与图9(a)比较下降约30～50 dB，f<1 kHz，低频插损与图9(a)比较略高3～5 dB。图9(c)负载为纯感性(不考虑寄生参数)，随着电感数值逐步增大，插损几乎没有变化，但在1～10 kHz频段插损随着电感增大而逐步增大。当电感取值>100 mH后，出现谐振点，而且随着电感值的增大，谐振点向工频靠近，谐振点出现极大值。通过选取适当的电感来抑制更接近50／60 Hz的低频干扰，前提是负载必须为纯感性。图9(d)中负载为感性(考虑寄生参数)，在低频段插损随着电感增大而逐步增大，但在高频段插损几乎没有变化。

2．3．3 容性阻抗对插损的影响
    图10(a)中源阻抗为纯容性(不考虑寄生参数)，电容越小，整体插损越大，尤其在μF～nF量级，nF～pF量级范围插损低频段增加很快，电容增加到mF量级后，电容变化几乎对插损没有影响。图10(b)源阻抗为容性(考虑寄生参数)，电容越小，整体插损越大，相比纯容性源阻抗其在nF量级插损较小，整体上电容的高频寄生参数对插损影响较小。图10(c)中负载为纯容性(不考虑寄生参数)，随着电容值逐步增大，其在工频附近插损越来越小，对有用信号的衰减变小，但在高频范围负载电容变化对插损几乎没有影响。图10(d)中负载为容性(考虑寄生参数)，随着电容值逐步增大，其在工频附近插损越来越小，相比图10(c)说明电容高频寄生参数对插损影响很小。比较图8～图10，源阻抗特性在频段1 Hz～30 MHz整个对插损影响很大，而负载阻抗特性只在1 Hz<f<39．8 kHz频段对插损有影响，其在39．8 kHz<f<30 MHz频段插损不随负载变化。电感的寄生参数对插损影响大，电容的寄生参数对插损影响较小。容性阻抗无论作为源阻抗还是负载，都极大的改善了滤波器的低频滤波效能，一定程度上弥补了无源滤波器低频滤波较差的缺点，尤其是作为源阻抗使得滤波器整体滤波性能有了提高。

2．4 寄生参数对滤波器插损影响
    理想的EMI滤波器元器件均采用纯电容纯电感并没有考虑其高频寄生参数，而实际使用的集总参数元件存在高频寄生参数，这里给出两种情况下滤波器插入损耗曲线对比，假设负载为纯阻性，如图11所示。

    当f>3．1 MHz后，由于寄生参数的影响，插入损耗曲线偏离理想插损曲线，但整体插损依然很高，如图11所示。在频率高达5 GHz时依然有53．6 dB的插损，说明滤波器在高频甚至特高频频对噪声抑制能力。

3 结束语
    提出的二阶无源EMI滤波器，完全滤除了开关电源输出端的尖峰干扰，其对开关电源传导性共模、差模噪声干扰体现了较强的抑制作用。同时，分析了源、负载阻抗特性对滤波器性能的影响，采用TDK元器件模型的滤波器使得理论的仿真更贴近实际工程应用。