開關(guān)電源系統(tǒng)EMI濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

對(duì)于開關(guān)電源系統(tǒng)EMI傳導(dǎo)的高效設(shè)計(jì)是優(yōu)化EMI濾波器的設(shè)計(jì)；

開關(guān)電源電磁兼容進(jìn)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)于有開關(guān)電源的產(chǎn)品及控制系統(tǒng)；其輸入EMI低通濾波器放置在輸入端對(duì)系統(tǒng)的EMI-傳導(dǎo)的問題 甚至EMS的設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的！

瞬態(tài)干擾（EMS）對(duì)開關(guān)電源系統(tǒng)的電子產(chǎn)品或者是設(shè)備會(huì)產(chǎn)生威脅，出現(xiàn)產(chǎn)品功能及性能的問題！

這種瞬態(tài)的EMS的干擾是在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行差模干擾&共模干擾的注入測(cè)試；

共模干擾（共模電流）：以相同的相位，往返于L，N線之間（或者信號(hào)線）與地線之間的電流；

差模干擾（差模電流）：往返于L和N線（或者信號(hào)線與回流線）之間并且幅度相位相反的電流；

共模電流和差模電流可同時(shí)存在于一對(duì)導(dǎo)線中；進(jìn)行如下的理論分析：

差模干擾（EMS）其尖峰噪聲電壓對(duì)電子產(chǎn)品&設(shè)備會(huì)直接產(chǎn)生威脅，出現(xiàn)產(chǎn)品功能及性能的問題！

共模干擾（EMS）其尖峰噪聲電壓對(duì)電子產(chǎn)品&設(shè)備不會(huì)直接產(chǎn)生威脅；共模干擾不直接影響設(shè)備，而是通過轉(zhuǎn)化為差模電壓來影響設(shè)備的！由于系統(tǒng)要采用交流AC供電同時(shí)要求有小的體積和效率，開關(guān)電源的應(yīng)用必不可少！

注意：電子產(chǎn)品&設(shè)備就開關(guān)電源系統(tǒng)來說！如果撇開開關(guān)電源的輸入濾波器

1.開關(guān)電源線路本身對(duì)脈沖群干擾的抑制作用實(shí)在是很低的，究其原因，主要在于脈沖群干擾的本質(zhì)是高頻共模干擾。

2.開關(guān)電源線路中的濾波電容都是針對(duì)抑制低頻差模干擾而設(shè)置的，其中的電解電容對(duì)于開關(guān)電源本身的紋波抑制作用尚且不足，更不要說針對(duì)諧波成分達(dá)到60MHz以上的脈沖群干擾有抑制作用了，

3.在用示波器觀察開關(guān)電源輸入端和輸出端的脈沖群波形時(shí)，看不出有明顯的干擾衰減作用。

這樣看來，就抑制開關(guān)電源所受到的脈沖群干擾來說，物聯(lián)網(wǎng)及智能產(chǎn)品&設(shè)備的開關(guān)電源系統(tǒng)的輸入濾波器是一個(gè)重要措施。

EMS的問題注意要重點(diǎn)注意PCB設(shè)計(jì)的問題！

1.開關(guān)電源系統(tǒng)線路中的高頻變壓器設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)于脈沖群干擾有一定的抑制作用；

2.開關(guān)電源系統(tǒng)初級(jí)回路與次級(jí)電路之間的跨接電容，能為從初級(jí)回路進(jìn)入次級(jí)回路的共模干擾返回初級(jí)回路提供通路，因此對(duì)于脈沖群干擾也有一定的抑制作用；

3.開關(guān)電源系統(tǒng)輸出端共模濾波電路的設(shè)置，能對(duì)脈沖群干擾有一定抑制作用。

4.開關(guān)電源系統(tǒng)線路本身對(duì)脈沖群干擾沒有什么抑制作用，但是如果開關(guān)電源的線路布局不佳，則更能加劇脈沖群干擾對(duì)開關(guān)電源的入侵。

特別是脈沖群干擾的本質(zhì)是傳導(dǎo)與輻射干擾的復(fù)合，即使由于輸入濾波器的采用，抑制了其中的傳導(dǎo)干擾的成分，但存在在傳輸線路周圍的輻射干擾依然存在，依然可以透過開關(guān)電源的不良布局

（開關(guān)電源的初級(jí)或次級(jí)回路布局距離太長(zhǎng)，就會(huì)形成了“大環(huán)天線”），

感應(yīng)脈沖群干擾中的輻射成分，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的抗干擾性能。

為什么要設(shè)計(jì)EMI低通濾波器來增加插入高頻損耗？（AC輸入開關(guān)電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)）

關(guān)鍵點(diǎn)1：

共模干擾的產(chǎn)生：開關(guān)電源（開關(guān)MOS管輸出功率較大時(shí)開關(guān)MOS管會(huì)增加散熱器設(shè)計(jì)）與大地（測(cè)試系統(tǒng)的參考接地板）之間存在分布電容；開關(guān)MOS及輸出整流二極管在電路中方波電壓的高頻分量通過分布電容傳入到大地（參考接地板）；這樣就形成與電源線的回路?；蛘哒f;高頻分量通過分布電容與電源線構(gòu)成回路產(chǎn)生共模騷擾！

關(guān)鍵點(diǎn)2：

差模干擾的產(chǎn)生：主要是開關(guān)電源中開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)流過電源線的電流線性上升；開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流又突變?yōu)镺;因此流過電源線的電流為高頻的重復(fù)三角波脈動(dòng)電流；其含有豐富的高頻諧波分量；隨著頻率的升高該諧波分量的幅度會(huì)越來越小；因此差模騷擾是隨頻率的升高而降低的！

注意：隨著頻率的升高我們開關(guān)器件對(duì)地之間分布電容變得很關(guān)鍵！此時(shí)共模的干擾就變得越來越高，小的共模電流就會(huì)產(chǎn)生大的干擾！

這部分我可以通過EMI測(cè)試系統(tǒng)的CM/DM分離器就可以得到數(shù)據(jù)。

下圖直觀的顯示共模和差模騷擾的回路路徑；

如上圖：開關(guān)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲包含共模噪聲和差模噪聲。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。

通常線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。

如下電子產(chǎn)品&設(shè)備的內(nèi)部電路板的結(jié)構(gòu)圖可以想象如果沒有特定的EMI低通濾波器件我們是無法通過測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的！

雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

進(jìn)行上圖的分析：在EMI傳導(dǎo)騷擾頻段《30MHz，多數(shù)開關(guān)電源系統(tǒng)騷擾的耦合通道我一般用電路網(wǎng)絡(luò)路徑圖來分析的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個(gè)實(shí)際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高；因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。

注意：在高頻時(shí)，雜散參數(shù)對(duì)耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。還有，在開關(guān)管功率較大時(shí)，開關(guān)管一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾源和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾源。

針對(duì)對(duì)上面的問題：我們的第一想法是要插入濾波器設(shè)計(jì)；所以對(duì)開關(guān)電源系統(tǒng)傳導(dǎo)的高效設(shè)計(jì)實(shí)際是我們插入濾波器的設(shè)計(jì)！

注意設(shè)計(jì)關(guān)鍵思路：在輸入端加濾波器，濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對(duì)接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗（如容量大的并聯(lián)電容）。由于線路阻抗的不平衡性，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變，情況也變得復(fù)雜。

對(duì)于《75W電子產(chǎn)品&設(shè)備的開關(guān)電源系統(tǒng)EMI濾波器的測(cè)試推薦如下結(jié)構(gòu)：

輸入濾波器的電路設(shè)計(jì)原理圖

測(cè)試輸入濾波電路能達(dá)到10dB設(shè)計(jì)裕量（采用模擬負(fù)載測(cè)試）

我們通用的工業(yè)及住宅類產(chǎn)品的EMI標(biāo)準(zhǔn)如下：

傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試頻率范圍為0.15～30MHz，限值要求如下表：

在0.15～500KHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以差模的形式存在，

在500KHZ～10MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾的形式是差模和共模共存，

在10MHz以上，騷擾的形式主要以共模為主。

進(jìn)行機(jī)理分析：

差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，流過電源線的電流會(huì)逐漸上升，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流突變?yōu)榱?，因此，流過電源線的電流為高頻的三角脈動(dòng)電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，共模則相反隨著頻率的升高器件體之間的分布電容變得越來越關(guān)鍵；小的共模電流都能產(chǎn)生大的電磁干擾。

濾波器的設(shè)計(jì)：通過上面的分析，了解產(chǎn)品的干擾特性和輸入阻抗特性后，設(shè)計(jì)或者選擇一個(gè)濾波器就變得簡(jiǎn)單了。如果使用一個(gè)現(xiàn)成的濾波器，可以調(diào)用過去積累的濾波器數(shù)據(jù)庫(kù)，比對(duì)濾波器參數(shù)，找到一個(gè)合適的濾波器。

如果沒有合適的或者想專門設(shè)計(jì)一個(gè)專用濾波器；

設(shè)計(jì)的機(jī)理：

1.一般開關(guān)電源的噪聲成分約為1~10MHZ間所以EMI濾波器要在1-10MHZ的插入損耗要盡量好。

2.濾波器的CM/DM濾波器諧振頻率在10KHZ-50KHZ為好：注意小于開關(guān)頻率；

3.理論上電感量越高對(duì)EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率更低，而實(shí)際的濾波器只能做到一定寬帶，也就使高頻噪聲的抑制效果變差

舉例說明：我將一只20mH的電感進(jìn)行頻率-電感 & 頻率-阻抗 分析；

頻率-電感曲線FREQUENCY—INDUCTANCECURVE：

注意：

電感量愈高，則繞線匝數(shù)愈多，鐵氧體磁芯ui越高，如此將造成低頻阻抗增加（直流阻抗變大）。匝數(shù)增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經(jīng)此電容流通。過高的ui使CORE極易飽和，根據(jù)我多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于鐵氧體材料ui=10K是比較理想的。

將輸入濾波器進(jìn)行等效如下：

對(duì)于《75W無PFC開關(guān)電源系統(tǒng)EMI輸入濾波器設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下：

通過測(cè)試的濾波器的EMI數(shù)據(jù)與理論的原理計(jì)算參數(shù)數(shù)據(jù)是可以吻合的。

因此就可以類推各種不同應(yīng)用條件下的EMI濾波器的設(shè)計(jì)！

我們確定fcn的一般方法

電子產(chǎn)品&設(shè)備開關(guān)電源系統(tǒng)輸入濾波器的截止頻率fcn要根據(jù)電磁兼容性設(shè)計(jì)要求確定。對(duì)于騷擾源，要求將騷擾電平降低到規(guī)定的范圍；對(duì)于接收器，其接收值體現(xiàn)在對(duì)噪聲限值的要求上。對(duì)于一階低通濾波器截止頻率可推薦按下式確定：

騷擾源：fcn＝kT×（系統(tǒng)中最低騷擾頻率）；

信號(hào)接收機(jī)：fcn＝kR×（電磁環(huán)境中最低騷擾頻率）；

式中，kT、kR根據(jù)電磁兼容性要求確定，一般情況下取1/3或1/5。

舉例說明如下：

A.電源噪聲扼流圈或電源輸出濾波器截止頻率取fcn＝30～50kHz，同時(shí)要求低于我們的開關(guān)電源的最大工作頻率（當(dāng)CLASS-A/B要求f=150KHz為測(cè)試起點(diǎn)時(shí)）；

B.信號(hào)噪聲濾波器截止頻率取fcn＝10MHZ～30MHz（對(duì)傳輸速率》100Mbps的信息技術(shù)設(shè)備）。

此外，對(duì)于輸入電流有特殊波形的產(chǎn)品及設(shè)備，例如接有直接整流－電容濾波的電源EMI輸入電路：沒有功率因數(shù)校正（PFC）的開關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器之類電器設(shè)備及產(chǎn)品，如果要濾除2～27/40次（9KHZ）電流諧波傳導(dǎo)干擾，噪聲扼流圈截止頻率fcn可能取得更低一些。

其它標(biāo)準(zhǔn)要求的說明如下：

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）規(guī)定電磁干擾起始頻率為300kHz；

國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）規(guī)定為150kHz；

美國(guó)軍標(biāo)規(guī)定為10kHz。

在實(shí)際運(yùn)用中如果沒有插入輸入EMI的低通濾波器；我們采用差模和共模分離器進(jìn)行濾波器系統(tǒng)的理論研究如下：以下依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求確認(rèn)濾波器的級(jí)數(shù)及截止頻率！

通常實(shí)際測(cè)試要比限值低5-10dB的設(shè)計(jì)！實(shí)際值為藍(lán)色實(shí)線的效果，虛線為我們的限值要求；

我們確定fcn的準(zhǔn)確理論方法

根據(jù)曲線要求進(jìn)行切線分割法來確定濾波器的截止頻率值

對(duì)于一級(jí)低通濾波器截止頻率可按下式確定：

騷擾源：fcn＝kT×（系統(tǒng)中最低騷擾頻率）；CLASSA/B=150KHZ-30MHZ（標(biāo)準(zhǔn)）

接收機(jī)：fcn＝kR×（電磁環(huán)境中最低騷擾頻率）; CLASSA/B=150KHZ-30MHZ

式中，kT、kR根據(jù)電磁兼容性要求確定，一般情況下取1/3或1/5；并且小于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作頻率！

對(duì)于《75W 的FLY反激的開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)；我在進(jìn)行差模和共模無濾波器分離測(cè)試時(shí)得出的曲線進(jìn)行ClassB的限值要求得出的衰減曲線進(jìn)行切線分析時(shí)；fcn的切點(diǎn)正好差不多在150KHZ的1/3處；因此得出《75W 的FLY反激的開關(guān)電源設(shè)計(jì) 其截止頻率在50KHZ 附近；因此我的設(shè)計(jì)建議對(duì)于《75W的FLY開關(guān)電源的差模&共模的截止頻率推薦在10KHZ-50KHZ設(shè)計(jì)！

如果系統(tǒng)是Ⅱ類器具/結(jié)構(gòu)- 無接地措施！

小功率供電電源系統(tǒng)濾波器如何設(shè)計(jì)？參數(shù)如何選擇？

答案是：設(shè)計(jì)方法相同；實(shí)際上就是上面的計(jì)算公式中的Y電容要被分布參數(shù)替換了。分布電容往往只有幾PF到幾十PF; 我直接推薦測(cè)試好的如下濾波器結(jié)構(gòu)提供參考；

理論上電感量越高（但該電感的分布電容也越大）對(duì)EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率更低，而實(shí)際的濾波器只能做到一定寬帶，也就使高頻噪聲的抑制效果變差

（一般開關(guān)電源的噪聲成分約為1~10MHZ間，但也有超過10MHZ之情形）。

注意：

電感量愈高，則繞線匝數(shù)愈多，鐵氧體磁芯ui越高，如此將造成低頻阻抗增加（DCR變大）。匝數(shù)增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經(jīng)此電容流通。過高的ui使鐵芯極易飽和，根據(jù)我多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于鐵氧體材料ui=10K是比較理想的。

根據(jù)多年電子電路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以下的共模電感直接拿來使用，基本上能通過所有的電子產(chǎn)品EMI-傳導(dǎo)測(cè)試的應(yīng)用。

共模濾波器－性能最佳（《30W）采用分區(qū)/槽繞（Sectional Winding）

FT20.6參數(shù)規(guī)格；采用分區(qū)/槽繞 共模電感的漏感還可以做為差模電感使用

其頻率阻抗曲線如下圖；

如果功率超過30W 小于50W推薦臥式結(jié)構(gòu)的ET28

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

共模電感和Y電容的使用要沿著干擾信號(hào)的流向構(gòu)成一個(gè)LC低通濾波器的拓?fù)?。同理，差模電感和X電容也如此。如下圖示：

濾波器的正確工作方向

對(duì)于漏電電流有要求的產(chǎn)品應(yīng)用《75W的開關(guān)電源系統(tǒng)；如果還有需要更大的傳導(dǎo)設(shè)計(jì)裕量，我推薦采用2級(jí)共模濾波器的設(shè)計(jì)；整個(gè)傳導(dǎo)干擾的設(shè)計(jì)《40dB，推薦的標(biāo)準(zhǔn)的電路結(jié)構(gòu)如下；

應(yīng)用時(shí)注意：不同產(chǎn)品的應(yīng)用漏電流要求是不同的；在漏電流的高要求場(chǎng)合Y電容的大小需要進(jìn)行調(diào)整；調(diào)整Y電容后根據(jù)前面的LC諧振頻率再來設(shè)計(jì)共模電感！設(shè)計(jì)應(yīng)用永遠(yuǎn)是靈活的；對(duì)于共模電感的關(guān)鍵特性選擇參考下圖！

再通過EMI的傳導(dǎo)測(cè)試曲線來指導(dǎo)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)優(yōu)化?。ㄔO(shè)計(jì)整改）

參考如下：

開關(guān)電源EMI各個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的頻段測(cè)試數(shù)據(jù)整改分析：

1. F1頻段與靠近150KHZ調(diào)整X電容越有效果

2. F2頻段范圍優(yōu)化濾波器的共模電感是最快的方法！

3. F3頻段范圍 輸入EMI濾波器Y電容&開關(guān)電源初次級(jí)的Y電容設(shè)計(jì)是關(guān)鍵

開關(guān)電源EMI各個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的頻段測(cè)試數(shù)據(jù)整改分析：

A.F1頻段與越靠近150KHZ的頻段調(diào)整X電容效果越明顯；

B.F2頻段EMI輸入濾波器的共模電感的設(shè)計(jì)按推薦參數(shù)并會(huì)有充足的裕量！

C.F3頻段調(diào)整Y電容效果明顯；濾波器Y電容，開關(guān)電源初次級(jí)的Y電容的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵

D.如果EMI輸入濾波器采用2級(jí)共模電感結(jié)構(gòu)，后級(jí)共模電感感量過大會(huì)導(dǎo)致F3頻段上升

EMI傳導(dǎo)超標(biāo)的疑難點(diǎn)：共模電感的磁芯要考慮的問題-共模電感的動(dòng)態(tài)特性

在通常情況下出現(xiàn)的疑難問題點(diǎn)我們需要綜合考慮共模電感的頻率，溫度及偏磁問題帶來的動(dòng)態(tài)特性！

文章來源于電子產(chǎn)品物聯(lián)戰(zhàn)略及電磁兼容EMC ，作者Adu