开关电源EMI滤波器的正确选择与使用.doc

### 开关电源EMI滤波器的正确选择与使用 #### 一、插入损耗与滤波电路的选择 在选择EMI滤波器时，插入损耗是最重要的参考指标之一。然而，即使两个滤波器的插入损耗相近，在实际应用中它们的效果也可能大相径庭。这是因为相似的插入损耗可以通过不同的电路实现，而这与理论分析相吻合，因为插入损耗本身就是一个多解函数。 因此，在选择滤波器时，首先要考虑的是匹配合适的滤波电路和插入损耗性能。要做到这一点，需要了解使用的电源等效噪声源阻抗和对噪声抑制的需求。这就类似于军事上的“知己知彼，百战不殆”，意味着我们需要全面了解自己的电源系统。 滤波电路和电源等效噪声源阻抗之间存在着怎样的关系呢？ **EMI滤波器**是由电感L和电容C组成的低通器件。为了在阻带内获得最大的衰减，滤波器的输入端和输出端的阻抗需要与所连接的噪声源阻抗相匹配，即对于低阻抗噪声源，滤波器需要具有高阻抗（较大的串联电感）；而对于高阻抗噪声源，滤波器则需要具有低阻抗（较大的并联电容）。这一原则同时适用于共模和差模。 即便按照上述原则选择了合适的滤波器，在实际使用过程中仍可能出现效果不佳的情况，尤其是在重载或满载情况下。主要原因可能是滤波器中的电感元件在重载或满载条件下发生饱和，导致电感值急剧下降，从而使插入损耗性能大幅降低。这种情况在带有差模电感的滤波器中更为常见，因为差模电感需要承载整个电源线路的工作电流。如果差模电感的设计不合理，一旦电流过大，就容易饱和。此外，共模扼流圈也可能因生产工艺不佳或绕组不对称而在重载或满载条件下产生饱和。 #### 二、滤波电路的设计 1. **差模滤波电路** - 对于开关电源的开关频率谐波噪声源（通常呈现低阻抗），相应的滤波器输出端应设计成高阻抗，并通过串联大电感LDM实现。 - 由于AC电网的火线和零线之间是低阻抗的，与之相连的滤波器输入端也应是高阻抗，并串联大电感LDM。 - 如果还需要进一步抑制差模噪声，可以在滤波器输入端并接线间电容CX1，前提是其阻抗比AC电网火线、零线之间的阻抗更低。 - 开关电源工频谐波噪声源阻抗较高，因此对应的滤波器输出端应设计为低阻抗，并通过并联大电容CX2实现。 - 合成的差模滤波电路如图2所示。 - 最终的共模和差模组合滤波电路如图3所示。 2. **交流三相滤波电路** - 交流三相滤波电路分为三相三线制和三相四线制两种。 - 典型的单环三相三线制滤波电路如图4所示；典型的双环三相三线制滤波电路如图5所示。 - 比较图4中的每一相电路和典型单相电路可以发现，共模电路在三相采用π型电路，而在单相采用L型电路；差模电路方面，三相的输出端有CX电容，而单相没有。 - 图5展示了三相三线制滤波电路与双环单相滤波电路的对比，可以看出三相中的每一相电路与单相电路完全相同。 - 典型的单环三相四线制滤波电路如图7所示，可以看到，每相对中线电路和单相电路在差模电路输出端都有CX电容，而对于地的共模电路，三相采用π型电路，但C_y电容是共用的。 3. **直流滤波电路** - 为了抑制开关电源对其负载产生的共模和差模干扰，通常在直流输出端使用直流EMI滤波器，典型电路如图8所示。 - 图9展示了一个二级π型滤波器，适用于非对地对称的直流输出电路。 #### 三、额定电流与环境温度的影响 EMI滤波器一般采用高导磁率的软磁材料，例如锰锌铁氧体，其初始导磁率为700到10000，但这类材料的居里点温度并不高，优质材料也只有约130°C。随着导磁率的提高，居里点温度会降低，如图10所示。 除特殊说明外，EMI滤波器的数据表中给出的额定电流通常是在室温+25°C下的值；同样的，给出的典型插入损耗或曲线也都是基于室温+25°C。随着环境温度的升高，电感导线损耗、磁芯损耗及周围环境温度等因素会导致温度超过室温，进而影响插入损耗的性能，甚至可能导致滤波器损坏。因此，在选择滤波器时，需要考虑到实际的最大工作电流和工作环境温度。 **工作电流、额定电流与环境温度之间的关系**可以用下面的公式表示： \[ I_p = I_R \cdot \sqrt{\frac{T_C - T}{T_C - 25}} \] 其中： - \( I_p \) 是容许的最大工作电流； - \( I_R \) 是室温+25°C时的额定电流； - \( T_C \) 是材料的居里点温度； - \( T \) 是实际环境温度。 选择和使用开关电源EMI滤波器时，不仅要关注其插入损耗性能，还需要考虑电路设计、额定电流、环境温度等多个因素，确保滤波器能够稳定有效地工作。