开关电源系统EMI滤波器优化设计方案

　　对于开关电源系统EMI传导的高效设计是优化EMI滤波器的设计；

　　开关电源电磁兼容进级优化设计；对于有开关电源的产品及控制系统；其输入EMI低通滤波器放置在输入端对系统的EMI-传导的问题 甚至EMS的设计也是非常关键的！

　　瞬态干扰（EMS）对开关电源系统的电子产品或者是设备会产生威胁，出现产品功能及性能的问题！

　　这种瞬态的EMS的干扰是在对系统进行差模干扰&共模干扰的注入测试；

　　共模干扰（共模电流）：以相同的相位，往返于L，N线之间（或者信号线）与地线之间的电流；

　　差模干扰（差模电流）：往返于L和N线（或者信号线与回流线）之间并且幅度相位相反的电流；

　　共模电流和差模电流可同时存在于一对导线中；进行如下的理论分析：

 

 

　　差模干扰（EMS）其尖峰噪声电压对电子产品&设备会直接产生威胁，出现产品功能及性能的问题！

 

 

　　共模干扰（EMS）其尖峰噪声电压对电子产品&设备不会直接产生威胁；共模干扰不直接影响设备，而是通过转化为差模电压来影响设备的！由于系统要采用交流AC供电同时要求有小的体积和效率，开关电源的应用必不可少！

　　注意：电子产品&设备就开关电源系统来说！如果撇开开关电源的输入滤波器

　　1.开关电源线路本身对脉冲群干扰的抑制作用实在是很低的，究其原因，主要在于脉冲群干扰的本质是高频共模干扰。

　　2.开关电源线路中的滤波电容都是针对抑制低频差模干扰而设置的，其中的电解电容对于开关电源本身的纹波抑制作用尚且不足，更不要说针对谐波成分达到60MHz以上的脉冲群干扰有抑制作用了，

　　3.在用示波器观察开关电源输入端和输出端的脉冲群波形时，看不出有明显的干扰衰减作用。

　　这样看来，就抑制开关电源所受到的脉冲群干扰来说，物联网及智能产品&设备的开关电源系统的输入滤波器是一个重要措施。

　　EMS的问题注意要重点注意PCB设计的问题！

　　1.开关电源系统线路中的高频变压器设计的好坏，对于脉冲群干扰有一定的抑制作用；

　　2.开关电源系统初级回路与次级电路之间的跨接电容，能为从初级回路进入次级回路的共模干扰返回初级回路提供通路，因此对于脉冲群干扰也有一定的抑制作用；

　　3.开关电源系统输出端共模滤波电路的设置，能对脉冲群干扰有一定抑制作用。

　　4.开关电源系统线路本身对脉冲群干扰没有什么抑制作用，但是如果开关电源的线路布局不佳，则更能加剧脉冲群干扰对开关电源的入侵。

　　特别是脉冲群干扰的本质是传导与辐射干扰的复合，即使由于输入滤波器的采用，抑制了其中的传导干扰的成分，但存在在传输线路周围的辐射干扰依然存在，依然可以透过开关电源的不良布局

　　（开关电源的初级或次级回路布局距离太长，就会形成了“大环天线”），

　　感应脉冲群干扰中的辐射成分，进而影响整个设备的抗干扰性能。

　　为什么要设计EMI低通滤波器来增加插入高频损耗？（AC输入开关电源设计系统）

　　关键点1：

　　共模干扰的产生：开关电源（开关MOS管输出功率较大时开关MOS管会增加散热器设计）与大地（测试系统的参考接地板）之间存在分布电容；开关MOS及输出整流二极管在电路中方波电压的高频分量通过分布电容传入到大地（参考接地板）；这样就形成与电源线的回路。或者说;高频分量通过分布电容与电源线构成回路产生共模骚扰！

　　关键点2：

　　差模干扰的产生：主要是开关电源中开关管工作在开关状态；当开关管开通时流过电源线的电流线性上升；开关管关断时电流又突变为O;因此流过电源线的电流为高频的重复三角波脉动电流；其含有丰富的高频谐波分量；随着频率的升高该谐波分量的幅度会越来越小；因此差模骚扰是随频率的升高而降低的！

　　注意：随着频率的升高我们开关器件对地之间分布电容变得很关键！此时共模的干扰就变得越来越高，小的共模电流就会产生大的干扰！

　　这部分我可以通过EMI测试系统的CM/DM分离器就可以得到数据。

　　下图直观的显示共模和差模骚扰的回路路径；

 

 

　　如上图：开关电源系统产生的噪声包含共模噪声和差模噪声。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。

　　通常线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。

　　如下电子产品&设备的内部电路板的结构图可以想象如果没有特定的EMI低通滤波器件我们是无法通过测试标准的！

 

 

　　杂散参数影响耦合通道的特性

　　进行上图的分析：在EMI传导骚扰频段《30MHz，多数开关电源系统骚扰的耦合通道我一般用电路网络路径图来分析的。但是，在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高；因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。

　　注意：在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。还有，在开关管功率较大时，开关管一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射骚扰源和电源线传导的共模骚扰源。

　　针对对上面的问题：我们的第一想法是要插入滤波器设计；所以对开关电源系统传导的高效设计实际是我们插入滤波器的设计！

　　注意设计关键思路：在输入端加滤波器，滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量大的并联电容）。由于线路阻抗的不平衡性，两种分量在传输中会互相转变，情况也变得复杂。

　　对于《75W电子产品&设备的开关电源系统EMI滤波器的测试推荐如下结构：

 

 

　　输入滤波器的电路设计原理图

　　测试输入滤波电路能达到10dB设计裕量（采用模拟负载测试）

　　我们通用的工业及住宅类产品的EMI标准如下：

　　传导骚扰的测试频率范围为0.15～30MHz，限值要求如下表：

 

 

　　在0.15～500KHz的频率范围内，骚扰主要以差模的形式存在，

　　在500KHZ～10MHz的频率范围内，骚扰的形式是差模和共模共存，

　　在10MHz以上，骚扰的形式主要以共模为主。

　　进行机理分析：

　　差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态，当开关管开通时，流过电源线的电流会逐渐上升，开关管关断时电流突变为零，因此，流过电源线的电流为高频的三角脉动电流，含有丰富的高频谐波分量，随着频率的升高，该谐波分量的幅度越来越小，因此差模骚扰随频率的升高而降低，共模则相反随着频率的升高器件体之间的分布电容变得越来越关键；小的共模电流都能产生大的电磁干扰。

　　滤波器的设计：通过上面的分析，了解产品的干扰特性和输入阻抗特性后，设计或者选择一个滤波器就变得简单了。如果使用一个现成的滤波器，可以调用过去积累的滤波器数据库，比对滤波器参数，找到一个合适的滤波器。

　　如果没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器；

　　设计的机理：

　　1.一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间所以EMI滤波器要在1-10MHZ的插入损耗要尽量好。

　　2.滤波器的CM/DM滤波器谐振频率在10KHZ-50KHZ为好：注意小于开关频率；

　　3.理论上电感量越高对EMI抑制效果越好，但过高的电感将使截止频率更低，而实际的滤波器只能做到一定宽带，也就使高频噪声的抑制效果变差

　　举例说明：我将一只20mH的电感进行频率-电感 & 频率-阻抗 分析；

　　频率-电感曲线FREQUENCY—INDUCTANCECURVE：

 

 

　　注意：

　　电感量愈高，则绕线匝数愈多，铁氧体磁芯ui越高，如此将造成低频阻抗增加（直流阻抗变大）。匝数增加使分布电容也随之增大，使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使CORE极易饱和，根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

　　将输入滤波器进行等效如下：

 

 

　　对于《75W无PFC开关电源系统EMI输入滤波器设计计算参数如下：

 

 

　　通过测试的滤波器的EMI数据与理论的原理计算参数数据是可以吻合的。

　　因此就可以类推各种不同应用条件下的EMI滤波器的设计！

　　我们确定fcn的一般方法

　　电子产品&设备开关电源系统输入滤波器的截止频率fcn要根据电磁兼容性设计要求确定。对于骚扰源，要求将骚扰电平降低到规定的范围；对于接收器，其接收值体现在对噪声限值的要求上。对于一阶低通滤波器截止频率可推荐按下式确定：

　　骚扰源：fcn＝kT×（系统中最低骚扰频率）；

　　信号接收机：fcn＝kR×（电磁环境中最低骚扰频率）；

　　式中，kT、kR根据电磁兼容性要求确定，一般情况下取1/3或1/5。

　　举例说明如下：

　　A.电源噪声扼流圈或电源输出滤波器截止频率取fcn＝30～50kHz，同时要求低于我们的开关电源的最大工作频率（当CLASS-A/B要求f=150KHz为测试起点时）；

　　B.信号噪声滤波器截止频率取fcn＝10MHZ～30MHz（对传输速率》100Mbps的信息技术设备）。

　　此外，对于输入电流有特殊波形的产品及设备，例如接有直接整流－电容滤波的电源EMI输入电路：没有功率因数校正（PFC）的开关电源和电子镇流器之类电器设备及产品，如果要滤除2～27/40次（9KHZ）电流谐波传导干扰，噪声扼流圈截止频率fcn可能取得更低一些。

　　其它标准要求的说明如下：

　　美国联邦通信委员会（FCC）规定电磁干扰起始频率为300kHz；

　　国际无线电干扰特别委员会（CISPR）规定为150kHz；

　　美国军标规定为10kHz。

　　在实际运用中如果没有插入输入EMI的低通滤波器；我们采用差模和共模分离器进行滤波器系统的理论研究如下：以下依据测试标准要求确认滤波器的级数及截止频率！

 

 

　　通常实际测试要比限值低5-10dB的设计！实际值为蓝色实线的效果，虚线为我们的限值要求；

　　我们确定fcn的准确理论方法

　　根据曲线要求进行切线分割法来确定滤波器的截止频率值

　　对于一级低通滤波器截止频率可按下式确定：

　　骚扰源：fcn＝kT×（系统中最低骚扰频率）；CLASSA/B=150KHZ-30MHZ（标准）

　　接收机：fcn＝kR×（电磁环境中最低骚扰频率）; CLASSA/B=150KHZ-30MHZ

　　式中，kT、kR根据电磁兼容性要求确定，一般情况下取1/3或1/5；并且小于开关电源的设计工作频率！

　　对于《75W 的FLY反激的开关电源系统设计；我在进行差模和共模无滤波器分离测试时得出的曲线进行ClassB的限值要求得出的衰减曲线进行切线分析时；fcn的切点正好差不多在150KHZ的1/3处；因此得出《75W 的FLY反激的开关电源设计 其截止频率在50KHZ 附近；因此我的设计建议对于《75W的FLY开关电源的差模&共模的截止频率推荐在10KHZ-50KHZ设计！

　　如果系统是Ⅱ类器具/结构- 无接地措施！

　　小功率供电电源系统滤波器如何设计？参数如何选择？

　　答案是：设计方法相同；实际上就是上面的计算公式中的Y电容要被分布参数替换了。分布电容往往只有几PF到几十PF; 我直接推荐测试好的如下滤波器结构提供参考；

 

 

　　理论上电感量越高（但该电感的分布电容也越大）对EMI抑制效果越好，但过高的电感将使截止频率更低，而实际的滤波器只能做到一定宽带，也就使高频噪声的抑制效果变差

　　（一般开关电源的噪声成分约为1~10MHZ间，但也有超过10MHZ之情形）。

　　注意：

　　电感量愈高，则绕线匝数愈多，铁氧体磁芯ui越高，如此将造成低频阻抗增加（DCR变大）。匝数增加使分布电容也随之增大，使高频电流全部经此电容流通。过高的ui使铁芯极易饱和，根据我多年的设计经验对于铁氧体材料ui=10K是比较理想的。

　　根据多年电子电路产品的设计经验以下的共模电感直接拿来使用，基本上能通过所有的电子产品EMI-传导测试的应用。

　　共模滤波器－性能最佳（《30W）采用分区/槽绕（Sectional Winding）

 

 

　　FT20.6参数规格；采用分区/槽绕 共模电感的漏感还可以做为差模电感使用

　　其频率阻抗曲线如下图；

 

 

　　如果功率超过30W 小于50W推荐卧式结构的ET28

　　设计要点：

　　共模电感和Y电容的使用要沿着干扰信号的流向构成一个LC低通滤波器的拓扑。同理，差模电感和X电容也如此。如下图示：

 

 

　　滤波器的正确工作方向

　　对于漏电电流有要求的产品应用《75W的开关电源系统；如果还有需要更大的传导设计裕量，我推荐采用2级共模滤波器的设计；整个传导干扰的设计《40dB，推荐的标准的电路结构如下；

 

 

　　应用时注意：不同产品的应用漏电流要求是不同的；在漏电流的高要求场合Y电容的大小需要进行调整；调整Y电容后根据前面的LC谐振频率再来设计共模电感！设计应用永远是灵活的；对于共模电感的关键特性选择参考下图！

　　

 

 

　　再通过EMI的传导测试曲线来指导进行滤波器的设计优化！（设计整改）

　　参考如下：

 

 

　　开关电源EMI各个频段对应的频段测试数据整改分析：

　　1. F1频段与靠近150KHZ调整X电容越有效果

　　2. F2频段范围优化滤波器的共模电感是最快的方法！

　　3. F3频段范围 输入EMI滤波器Y电容&开关电源初次级的Y电容设计是关键

 

 

　　开关电源EMI各个频段对应的频段测试数据整改分析：

　　A.F1频段与越靠近150KHZ的频段调整X电容效果越明显；

　　B.F2频段EMI输入滤波器的共模电感的设计按推荐参数并会有充足的裕量！

　　C.F3频段调整Y电容效果明显；滤波器Y电容，开关电源初次级的Y电容的设计是关键

　　D.如果EMI输入滤波器采用2级共模电感结构，后级共模电感感量过大会导致F3频段上升

　　EMI传导超标的疑难点：共模电感的磁芯要考虑的问题-共模电感的动态特性

 

 

　　在通常情况下出现的疑难问题点我们需要综合考虑共模电感的频率，温度及偏磁问题带来的动态特性！

　　文章来源于电子产品物联战略及电磁兼容EMC ，作者Adu