吳重重

摘 要：在電氣開關電源中，傳導性電源干擾是一種主要干擾源，因此在開關電源設計和應用時應該考慮電磁兼容性指標。在開關電源設計時應該考慮到電磁干擾問題，并采取適當?shù)臑V波措施。本文在開關電源中應用了無源濾波器技術，有利于消除電源高頻段的電磁干擾。本文對開關電源的傳導性電磁干擾進行了簡要的分析，并對無源濾波器及其元件特性進行了分析，探討了無源濾波器在開關電源中的具體應用，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：開關電源；無源濾波器；傳導性電磁干擾

中圖分類號： TN713.92 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）24-223-2

0 引言

現(xiàn)在電子設備中越來越多的應用到了開關電源，其具有效率高、自重輕、體積小的優(yōu)點，但是在應用的過程中也發(fā)現(xiàn)，開關電源的高頻化容易帶來噪聲，而且在傳導和輻射的作用下，開關電源的高頻化還會對周圍的電磁環(huán)境造成污染，不利于周圍其他電子設備的運行。因此，在開關電源設計中應該充分考慮設備間的電磁兼容問題，電源產(chǎn)品的電磁兼容已經(jīng)成為了該產(chǎn)品的重要性能參數(shù)。

1 開關電源的傳導性電磁干擾

可以將開關電源的傳導性干擾分為兩個類別，分別為共模干擾、差模干擾，開關管的關斷和開通期間產(chǎn)生的干擾為共模干擾，其是一種非對稱性噪聲，疊加在電源的正負之間。開關管關斷與開通期間還會產(chǎn)生差模干擾，差模干擾是對稱性噪聲，疊加在電源的正負之間。為了使開關電源的電磁干擾得到有效遏制，當前使用的主要方法是噪聲源平衡技術、調(diào)頻——非恒頻的PWM技術等。通過具有互異性能的無源濾波器，能夠?qū)﹄娫磦魅腴_關電源的干擾進行有效抑制，同時也能夠?qū)﹂_關電源反向傳輸電源的干擾進行有效抑制，因此將濾波器加入電源的輸入端是一種對傳導性干擾進行抑制的有效方法[1]。

圖1為傳導性干擾模型，反映了典型的反激式開關的傳導性干擾問題。圖1中的VT為開關管，在關斷和開通開關管的過程中，就會產(chǎn)生id（差模干擾電流），差模干擾電流會從輸入電源Vs中流過，并且受到電源內(nèi)阻Zs的阻礙，產(chǎn)生傳導性差模干擾電壓，主要作用于電源的兩端，用ud表示。屏蔽地和散熱器是直接連接的，屏蔽體與鐵氧體通常也是連接的，鐵氧體和變壓器之間的分布電容、散熱器和開關管底板之間的分布電容與屏蔽地之間的分布電容Cb和A點有關。A點對地之間的電壓差會隨著VT的開關狀態(tài)變化而變化，該電壓差用uA表示，在uA變化的過程中，Cb上會出現(xiàn)位移電流，用ic1和ic2表示。位移電流會通過負端電源線和正端電源線，然后受到負端接地電阻和正端接地電阻的影響，從而產(chǎn)生共模傳導性干擾電壓，用u1和u2表示。為了使id、ic1、ic2的影響減小，就必須使開關電源傳導性電磁干擾減小[2]。

id可以通過Cd2、Cd1、Ld獲得低阻抗通路，從而使id中流過的電源減小，達到使ud減小的目的。降低共模干擾電路圖中，降低共模干擾主要是通過虛線框內(nèi)的Cc2、Cc1、Lc2、Lc1組成的電路來完成的。共模電流的低阻抗通路主要是通過Cc2、Cc1提供的，達到了使u1、u2減少的目的。共?；芈肥瞧帘蔚睾碗娫淳€共同構(gòu)成的，通過Lc2、Lc1能夠使回路的阻抗增大，此時的共模電感Lc2、Lc1流過ic1時，就會出現(xiàn)方向相反、大小相等的電動勢，兩個電動勢的相互抵銷，會有效地減小共模電流ic1。與此同時還要對結(jié)構(gòu)和電路進行合理設計，這樣能夠使Cb進一步減小，從而使ic2得到減小[3]。

2 無源濾波器

2.1 無源濾波器的結(jié)構(gòu)和原理

無源濾波器是一種無源網(wǎng)絡，其包括電子元件、電容和電感，其目的在于對線路中干擾信號的傳播進行抑制和衰減。作為一種低通元件，電源線濾波器隸屬于無源濾波器，不同的電源線無源濾波器能夠抑制不同的頻率。

在電源開關中，電磁干擾主要是通過電源線來傳出和傳入設備的，為了避免電磁干擾在設備中的傳出和傳入，應該將無源濾波器安裝在設備電源接口處。只有電源頻率才能通過無源濾波器，而電磁干擾的頻率高于電源頻率，這樣就可以很大程度地衰減和抑制電磁干擾。

傳導發(fā)生問題可以通過無源濾波器來解決，但是在原線上的傳導發(fā)射還會對導線的輻射發(fā)射造成影響，所以為了減小設備的輻射發(fā)射，也可以使用無源濾波器。圖2為無源濾波器原理結(jié)構(gòu)圖，在零線和火線之間跨接差模濾波電容（CX），對于差模電流而言，差模濾波電容能夠起到旁路的作用，此時取0.1-1LF為電容值。在機殼地與零線或火線之間跨接共模濾波電容（CY），對于共模電流而言，共模濾波電容能夠起到旁路的作用。此時要注意對共模濾波電容的電容值進行控制，一般情況下不超過10000pF，這是由于相關安全標準，對漏電電流具有一定的限制。

一般濾波器中往往只安裝共模扼流圈，其作用在于通過漏電感來產(chǎn)生一定的差模電感，從而抑制差模電流。如有需要涉及時還可以對共模扼流圈的漏電量進行適當?shù)卦黾?，從而使差模電感量提高。應該根?jù)所需濾除的干擾頻率來確定共模扼流圈的電感量，干擾頻率越高，所需的電感量越小，共模扼流圈的電感量最小為1mH，最大能夠達到幾十mH。要對開關電源電路產(chǎn)生的低頻，高強度干擾問題進行解決，就應該提供大于CX差模衰減的衰減，這就需要使用到差模扼流圈。

2.2 無源濾波器的器件選擇

2.2.1選擇無源濾波器的電容器

電容器的頻率范圍會受到其材料的影響，應該盡量選擇頻率高、特性好的電容器。當前常見的電容類型主要有鋁電解電容、電解電容、紙介電容、聚酯樹脂電容、高介陶瓷（獨石）電容、云母低損陶瓷玻璃電容、聚苯乙烯聚丙乙烯電容。其中鋁電解電容和電解電容屬于低頻電容，紙介電容、聚酯樹脂電容、高介陶瓷（獨石）電容為中頻電容，高介陶瓷（獨石）電容介于中頻和高頻之間，云母低損陶瓷玻璃電容、聚苯乙烯聚丙乙烯電容屬于高頻電容。

除此之外，還應該選用殘余電容小的電容，這是由于插入損耗會隨著跨接電容CX的增大而增大，因此在對差模噪聲進行濾除時，還要同時濾除通路中旁路電容的高頻噪聲。此時應該注意到電容引線對濾波效果會產(chǎn)生一定的影響，電容器的頻率和容抗成反比關系，因此應該在地線和信號線直接并聯(lián)電容，從而對高頻噪聲進行旁路。

C和等效電感等效電感（ESL）共同組成了電容的諧振頻率，電感值或電容值的增大會降低諧振頻率，從而降低電容的高頻濾波效果。因此電容的引線長度是電容器的重要參數(shù)，引線的長度與電感成正比，加長電容引線有利于降低電容的諧振頻率，因此應該盡量選用以前較短的電容器。有兩種基本的方法可以使電容器對高頻干擾旁路的效果得到提高，一種方法是在電容安裝時盡量縮短電容的引線，電容引線的長度也包括線路板上等效到電容引線的軌線長度。另一種方法是選擇合適的電容種類，盡量使用具有較小電感的電容。

當前用最廣泛的電容器是陶瓷電容器，這種電容器比較適合射頻濾波，盡管陶瓷電容器的獨石電容并非專業(yè)干擾濾波器件，但是陶瓷電容器的一個重要特性就是有較好的高頻特性，而且沒有引線。

2.2.2選擇電磁干擾抑制鐵氧體

在開關電源，電磁兼容性設計中一般選擇軟磁材料作為磁性材料，要求軟磁材料必須具有較高的飽和磁感應強度、電阻率和磁導率，具有狹窄的磁滯回線和較小的矯頑力。一般情況下在鐵氧體上繞制共模扼流圈，從而獲得較大的電感量，并且排除了磁心飽和的風險。在鐵粉磁芯上繞制差模扼流圈，其具有較低的磁導率，但是不易出現(xiàn)飽和。還有一些情況下，為了避免磁心飽和，要在磁路開放的磁心上繞制差模扼流圈，這樣可以使磁芯中的磁通密度減小，盡量避免磁心飽和的現(xiàn)象。作為高效的磁場接收器件，電感會收集周圍的干擾，形成新的干擾，因此必須采取相應的屏蔽措施。共模濾波是最常用的電磁兼容，這是由于大部分電磁干擾都是從空間向線纜上耦合的。但是共模濾波會形成共模電壓干擾電壓，必須對干擾電壓低頻噪聲進行濾除，對于低頻段傳導干擾的抑制作用會隨著電感值的增大而增大。

2.3 無源濾波器的電路設置

本文將反激式開關電源傳導干擾模型中的開關源等效作為一個負載RL，把開關電源輸入端等，正負端接地電阻并入RS，電源輸入端加入的無源濾波器原理圖，電源輸入端加入的濾波器開關電源電路圖。對差模噪聲的抑制主要通過Cd、Ld來完成，選擇具有良好的M-F特性以及不容易飽和的鐵芯材料來作為Ld的鐵芯。使用聚酯薄膜電容或陶瓷電容心作為Cd，保障其具有一定的耐壓值。共模噪聲的抑制主要通過Cc和Lc來完成，可以以實際噪聲源的特征為依據(jù)對參數(shù)進行相應的調(diào)整。

3 無源濾波器在開關電源中的具體應用

在軌道交通的空調(diào)開關電源電路中，可以用無源濾波器，并取得較好的應用效果，對軌道交通空調(diào)開關電源中的電磁干擾進行有效地濾除，具體應用方式如下。

在車用牽引逆變器的IPM驅(qū)動電源電路中應用無源濾波器，將單端反激式電流控制型的UC2843驅(qū)動芯片安裝于IPM驅(qū)動電源電路之中，并使用斷續(xù)式的電流工作模式，具有良好的過流保護功能和輸出穩(wěn)壓。

將無源濾波器加入開關電源的輸入端，本文選擇的無源濾波器的參數(shù)為Cc：0.047μF，Lc：10mH、Cd： 0.1μF、Ld：0.1 mH。，將輸出端濾波器放置在次級電源中，能夠?qū)敵龆说牟钅８蓴_進行有效抑制，其中Cd2： 1μF、Lc2：0.1 mH。

6.13μs為干擾信號的周期，與之相對應的IPM開關頻率應該是16.3kHz，濾波器輸入端的電壓用Vin表示，其波形為曲線W1，干擾電壓的幅值約為2V。濾波器輸出端的電壓用Vo表示，其波形為曲線W2，此時干擾信號的幅值為0.2V左右。由于無源濾波器具有雙向性的特點，能夠?qū)PM開關反饋的干擾信號和輸入電源的干擾信號進行同時濾出，因此開關電源的電磁干擾能夠得到有效地抑制和削減，具有良好的應用效果。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代電子設備中，開關電源的應用越來越廣泛，而開關電源高頻化帶來的大量噪聲，也對開關電源的應用造成了不利的影響。當前各國都對電器產(chǎn)品的電磁兼容提出了一定的標準和規(guī)定，將電源產(chǎn)品的電磁兼容指標作為其重要的性能參數(shù)。通過對開關電源傳導性電磁干擾機理進行分析，本文認為要減少開關電源的傳導干擾，可以使用無源濾波技術，可以使用無源濾波技術元件特性，通過選擇合適的元件能夠提高無源濾波器的應用效果。

參 考 文 獻

[1] 汪力，程劍兵，王顯強，張伏生.基于多目標粒子群算法的無源電力濾波器優(yōu)化設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011（08）.

[2] 褚元好，孫文棟，康錦鶴，高軍偉，姜志彬.開關電源系統(tǒng)設計[J].電子制作，2013（14）.

[3] 錢麗英.開關電源系統(tǒng)穩(wěn)定性補償電路的設計[J].硅谷，2011（23）.