中心議題：

• 開關電源特點及噪聲產生原因
• EMI濾波器的結構
• 開光電源PSpice仿真

解決方案：

• 加裝電磁幹擾濾波器
• 由電容和電感構成的低通濾波器

1 開關電源特點及噪聲產生原因

suizhedianzijishudegaosufazhan
，dianzishebeizhongleiriyizengduo，errenhedianzishebeidoulibukaiwendingkekaodedianyuan，yinciduidianyuandeyaoqiuyeyuelaiyuegao。kaiguandianyuanyiqigaoxiaolv、低發熱量、穩定性好、體積小

、重量輕、利(li)於(yu)環(huan)境(jing)保(bao)護(hu)等(deng)優(you)點(dian)，近(jin)年(nian)來(lai)取(qu)得(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)不(bu)斷(duan)擴(kuo)大(da)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)在(zai)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)
，本(ben)身(shen)就(jiu)會(hui)對(dui)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)，危(wei)害(hai)其(qi)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)；erwaibuganraotongyanghuiyingxiangqizhengchanggongzuo。kaiguandianyuanganraozhuyaolaiyuanyugongpindianliudezhengliuboxinghekaiguancaozuoboxing。zhexieboxingdedianliuxieloudaoshurubuweijiuchengweichuandaozaoshenghefushezaosheng
，xieloudaoshuchubuweijiuxingchenglebowenwenti。kaolvdaodiancijianrongxingdeyouguanyaoqiu
，yingcaiyongEMI電源濾波器來抑製開關電源上的幹擾。文中主要研究的是開關電源輸入端的EMI濾波器。

2 EMI濾波器的結構

開關電源輸入端采用的EMI濾lv波bo器qi是shi一yi種zhong雙shuang向xiang濾lv波bo器qi，是shi由you電dian容rong和he電dian感gan構gou成cheng的de低di通tong濾lv波bo器qi，既ji能neng抑yi製zhi從cong交jiao流liu電dian源yuan線xian上shang引yin入ru的de外wai部bu電dian磁ci幹gan擾rao，還hai可ke以yi避bi免mian本ben身shen設she備bei向xiang外wai部bu發fa出chu噪zao聲sheng幹gan擾rao。開kai關guan電dian源yuan的de幹gan擾rao分fen為wei差cha模mo幹gan擾rao和he共gong模mo幹gan擾rao，在zai線xian路lu中zhong的de傳chuan導dao幹gan擾rao信xin號hao，均jun可ke用yong差cha模mo和he共gong模mo信xin號hao來lai表biao示shi。差cha模mo幹gan擾rao是shi火huo線xian與yu零ling線xian之zhi間jian產chan生sheng的de幹gan擾rao
，共gong模mo幹gan擾rao是shi火huo線xian或huo零ling線xian與yu地di線xian之zhi間jian產chan生sheng的de幹gan擾rao。

抑製差模幹擾信號和共模幹擾信號普遍有效的方法就是在開關電源輸入電路中加裝電磁幹擾濾波器。EMI濾波器的電路結構包括共模扼流圈(共模電感)L，差模電容Cx和共模電容Cy。共模扼流圈是在一個磁環(閉磁路)的de上shang下xia兩liang個ge半ban環huan上shang，分fen別bie繞rao製zhi相xiang同tong匝za數shu但dan繞rao向xiang相xiang反fan的de線xian圈quan。兩liang個ge線xian圈quan的de磁ci通tong方fang向xiang一yi致zhi，共gong模mo幹gan擾rao出chu現xian時shi

，總zong電dian感gan迅xun速su增zeng大da產chan生sheng很hen大da的de感gan抗kang，從cong而er可ke以yi抑yi製zhi共gong模mo幹gan擾rao
，而er對dui差cha模mo幹gan擾rao不bu起qi作zuo用yong。為wei了le更geng好hao地di抑yi製zhi共gong模mo噪zao聲sheng，共gong模mo扼e流liu圈quan應ying選xuan用yong磁ci導dao率lv高gao，高gao頻pin性xing能neng好hao的de磁ci芯xin。共gong模mo扼e流liu圈quan的de電dian感gan值zhi與yu額e定ding電dian流liu有you關guan。差cha模mo電dian容rongCx通常選用金屬膜電容
，取值範圍一般在0．1～1μF。

Cy用於抑製較高頻率的共模幹擾信號，取值範圍一般為2200～6800 pF。常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由於接地，共模電容Cy上會產生漏電流Ii-d。因為漏電流會對人體安全造成傷害，所以漏電流應盡量小
，通常<1．0 mA。共模電容取值與漏電流大小有關，所以不宜過大，取值範圍一般為2200～4700 pF。R為Cx的泄放電阻。電源濾波器的性能很大程度上取決於其端阻抗，根據信號傳輸理論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與負載端的端接應遵循阻抗極大不匹配原則。因此，濾波器設計時應遵循：(1)源內阻是高阻(低阻)的，濾波器輸入阻抗就應該是低阻(高阻)；(2)負載是高阻(低阻)的
，則濾波器輸出阻抗就應該是低阻(高阻)。對EMI信號來說，電感是高阻，電容是低阻，則有圖1中的4種濾波器選用類型。


電源濾波器一般用來抑製30 MHz以下頻率範圍的噪音
，但對30 MHz以上的輻射發射幹擾也有一定的抑製作用。根據開關電源共模、差模幹擾的特點。可以按幹擾的分布大概劃分為3個頻段：O．15～0．5 MHz差模幹擾為主
；0．5～5 MHz差模、共模幹擾共存；5～30 MHz共模幹擾為主。
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3 插入損耗

插入損耗是評價濾波器性能的主要指標
，它是頻率的函數。插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸到負載的功率P1和接入濾波器後噪聲源傳輸到負載的功率P2之比，用dB表示。插入損耗越大，說明濾波器抑製幹擾的能力越強。濾波器接入前後的電路圖

，如圖3(a)和圖3(b)所示。濾波器的插入損耗由式(1)表示。


4 三端電容器

在(zai)高(gao)頻(pin)線(xian)路(lu)中(zhong)
，因(yin)為(wei)一(yi)般(ban)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)引(yin)線(xian)具(ju)有(you)電(dian)感(gan)分(fen)量(liang)，所(suo)以(yi)影(ying)響(xiang)了(le)其(qi)高(gao)頻(pin)特(te)性(xing)。而(er)三(san)端(duan)電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)結(jie)構(gou)上(shang)可(ke)以(yi)做(zuo)到(dao)與(yu)電(dian)容(rong)器(qi)串(chuan)聯(lian)的(de)剩(sheng)餘(yu)電(dian)感(gan)分(fen)量(liang)很(hen)小(xiao)，因(yin)此(ci)其(qi)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)特(te)性(xing)優(you)於(yu)兩(liang)端(duan)電(dian)容(rong)器(qi)，從(cong)而(er)改(gai)善(shan)了(le)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)高(gao)頻(pin)特(te)性(xing)。三(san)端(duan)電(dian)容(rong)器(qi)有(you)引(yin)線(xian)式(shi)和(he)片(pian)狀(zhuang)式(shi)兩(liang)種(zhong)。


通常采用旁路電容抑製高頻噪聲。實際的電容器不僅具有電容C，還有等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL。由(you)於(yu)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)的(de)影(ying)響(xiang)
，對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)實(shi)際(ji)的(de)電(dian)容(rong)存(cun)在(zai)著(zhe)自(zi)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)。在(zai)這(zhe)個(ge)頻(pin)率(lv)以(yi)上(shang)時(shi)
，電(dian)容(rong)呈(cheng)感(gan)性(xing)。元(yuan)件(jian)的(de)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)也(ye)會(hui)極(ji)大(da)地(di)影(ying)響(xiang)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)高(gao)頻(pin)特(te)性(xing)。電(dian)容(rong)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)是(shi)主(zhu)要(yao)的(de)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)，而(er)對(dui)於(yu)電(dian)感(gan)來(lai)說(shuo)，寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)是(shi)主(zhu)要(yao)的(de)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)。電(dian)容(rong)器(qi)用(yong)作(zuo)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)時(shi)，如(ru)圖(tu)4(a)所示，兩端電容器一端接地，另一端與信號線連接。三端電容器一端接地，其餘兩端與電容器的一個電極相連並串聯到信號線上，如圖4(b)所suo示shi。一yi般ban的de兩liang端duan電dian容rong器qi由you於yu與yu其qi電dian路lu連lian接jie的de引yin線xian電dian感gan或huo電dian極ji所suo產chan生sheng的de等deng效xiao串chuan聯lian電dian感gan較jiao大da，所suo以yi自zi諧xie振zhen點dian較jiao低di，旁pang通tong效xiao應ying也ye隨sui之zhi降jiang低di。采cai用yong三san端duan電dian容rong器qi可ke有you效xiao改gai善shan此ci缺que陷xian。原yuan因yin在zai於yu三san端duan電dian容rong器qi中zhong流liu入ru地di的de電dian流liu與yu信xin號hao線xian中zhong電dian流liu方fang向xiang正zheng交jiao，所suo以yi其qi寄ji生sheng電dian感gan比bi兩liang端duan電dian容rong降jiang低di約yue50％，並且其中70％以上的寄生電感轉移到信號線上。因此提高了三端電容器的自諧振頻率
，也可以將它作為T形(xing)濾(lv)波(bo)器(qi)使(shi)用(yong)

，更(geng)好(hao)地(di)抑(yi)製(zhi)高(gao)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)。三(san)端(duan)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)地(di)線(xian)電(dian)感(gan)起(qi)著(zhe)不(bu)良(liang)作(zuo)用(yong)，作(zuo)為(wei)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)抑(yi)製(zhi)高(gao)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)時(shi)，宜(yi)采(cai)用(yong)無(wu)引(yin)線(xian)的(de)片(pian)式(shi)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)。圖(tu)5為兩端電容器與三端電容器插入損耗的比較。
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5 改進型結構

線路旁通電容Cy是用來消除高頻噪聲的組件，基於對今後開關操作頻率的高頻化考慮，宜選用能消除頻率高達1000MHz噪聲的電容器。而一般的兩端結構的旁通電容器僅能消除30MHz左右的噪聲。由以上介紹可知，相對兩端電容器來說，三端電容器能更好地抑製高頻噪聲。以EMI濾波器的一般結構為基礎
，用三端電容器替代其中的兩端旁通電容Cy，電路圖
，如圖6所示。其中ESL為三端電容器信號線上的等效串聯電感。


6 PSpice仿真

(1)使用三端電容的電路的插損與以往電路插損的比較。

取差模電容Cx為0．1μF，共模電容Cy為2200pF
，共模電感L取8mH。三端電容的等效串聯電感ESL取0．36nH。在50 Ω／50 ΩQ係統中分別對一般結構的EMI濾波器和使用了三端電容器的EMI濾波器的插入損耗進行PSpice仿真。如圖7所示，EMI濾波器在使用三端電容時，諧振點之後的插損效果明顯好於在濾波器中使用兩端電容的插損。提高了濾波器在高頻段的性能。


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 (2)不同Cy值，固定ESL。

在使用三端電容的濾波器電路中，輸入阻抗和輸出阻抗都取50時，分別取共模電容Cy為4700pF
，3300pF和2200pF，其他參數不變，觀察共模電容Cy變化時對插入損耗的影響。通過圖8的仿真結果看出，隨著共模電容的增大，在高頻段插入損耗有所提高，並且濾波器諧振點降低；而在低頻段基本沒有變化。因此可以通過選擇較大的共模電容來提高濾波器高頻段的插入損耗。由於共模電容需要接地，有漏電流，Iid的存在，對人身安全存在威脅。而共模電容越大
，漏電流越大
，所以選擇共模電容時需要在漏電流滿足安全條件的情況下取值。


 (3)固定Cy值，不同ESL。

考察三端電容器與信號線串聯的等效串聯電感ESL對插入損耗的影響。取共模電容Cy為3 300 pF，取ESL分別為0．03 nH
，0．36 nH和0．72 nH
，其他參數值不變。從圖9的仿真結果可以看出

，隨著ESL降低
，諧振點提高
，諧振點之後的插入損耗下降。

在一般性能EMI濾lv波bo器qi的de基ji礎chu上shang，使shi用yong三san端duan電dian容rong器qi作zuo為wei共gong模mo電dian容rong對dui原yuan濾lv波bo器qi加jia以yi改gai進jin，仿fang真zhen結jie果guo表biao明ming，在zai高gao頻pin段duan有you較jiao好hao的de插cha損sun效xiao果guo。由you於yu實shi際ji使shi用yong時shi設she備bei的de阻zu抗kang大da小xiao以yi及ji在zai高gao頻pin時shi元yuan件jian的de寄ji生sheng效xiao應ying均jun會hui對duiEMI濾波器的插損產生影響，因此還需根據實際情況對濾波器進行具體優化設計。