开关电源EMI滤波器设计与验证

孟晶　杨勇　熊立

摘 要： 开关电源已广泛应用于电力电子设备中，作为一种EMI源，在设计电源电路中需前置EMI滤波器抑制传导干扰。CE102作为检测电源线传导干扰的一项电磁兼容性试验，成为电子设备尤其是军用电子设备的必测项目，测试超标即意味着设计的失败。设计了一个EMI滤波器，通过CE102测试和分析发现并解决设计存在的问题，并通过整改后的试验验证，证明设计的有效性。

关键词： 开关电源； EMI滤波器； 电磁兼容性； CE102

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0137?03

Abstract： Switching power supply， as a electromagnetic interference （EMI） source， is widely used in power electronic equipments. The EMI filter should be prepositioned in power circuit design to suppress the conducted EMI. CE102 is taken as a project of EMC tests to detect the conducted interference of power?line. It is a necessary measuring project of electronic equipments， especially for military electronic equipments. It means that the design of the power system fails if the interference exceeds the standard. An EMI filter was designed to find and solve the problems of the design by CE102 test and analysis. The effectiveness of the design was proved by CE102 after the test validation.

Keywords： switchingpower supply； EMI filter； EMC； CE102

0 引 言

随着开关电源的迅速发展和广泛应用，它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件，可以有效地抑制开关电源中的传导干扰[1]。

EMI滤波器又称作电源线滤波器，安装在电源线与设备之间，既能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备，又能阻挡设备自身工作中产生的电磁骚扰经电源线进入电网，所以EMI滤波器是电源抗干扰和干扰抑制设计中非常重要的器件[2]。

电磁兼容性问题是衡量电子产品质量的一个重要指标，日益成为电子产品设计中的关键项目[3]。在电源系统设计过程中，引入电磁兼容性设计，可以提高电源系统的整体抗干扰能力，延长系统的使用寿命，确保使用的安全性[4]。

EMC电源线传导发射即CE102是用来测量EUT输入电源线上的传导发射的[5]，而通过CE102 10 kHz～10 MHz电源线传导发射[6]试验是当前几乎所有军用供电设备需满足的设计要求，EMI滤波器设计不当，将直接导致电源线传导发射超标，设计失败。

1 EMI滤波器设计

传导型的EMI噪声包括共模噪声和差模噪声两种。共模噪声存在于所有的交流相线和共模地之间，其产生来源被认为是电气回路之间绝缘电流以及电磁耦合等。差模噪声存在于交流相线之间，产生来源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复电流[7]。所以在进行EMI滤波器设计时，以滤除共模噪声和差模噪声为目标开展设计。

本文设计了一个LC滤波器作为EMI滤波器，其原理框图如图 1虚线框中所示，图中负载为一高速开关电路。电路中L1和L2为共模电感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1为滤波电容，L1，和L2，被设计用来抑制共模干扰，但由于实际电感在生产时的不对称，其对差模干扰也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并联在电源正负线两端，主要用来抑制差模干扰，而CY1和CY2分别从负、正电源线引出到共模地，主要用来抑制共模干扰。

共模电感值的选取与负载情况有关，即电感值与其通过的额定电流有关，关系如表1所示[8]。

对于共模等效电路，滤波器相当于一个LCL滤波器，对于差模等效电路，滤波器相当于一个CL′CL′C′滤波器，均可通过公式（1）计算得出所需电容值，差模等效电路中，由于L′值为共模电感生产不精确引入的，值较小，计算时可忽略不计。

2 EMC试验情况

依据GJB152A CE102试验方法[10]，测试链路图如图2所示。

由测试图可见，添加所设计滤波器后，超标频点传导骚扰虽然得到抑制，但依旧超标，无法通过试验。通过扫描回线传导骚扰发现，回线传导骚扰与正线在相同频点处超标，且幅值相差不大，从而可判断干扰为共模干扰，说明该滤波器在设计应用后，共模干扰没有得到有效滤除。

3 设计整改

在该EMI滤波器设计时，CY1和CY2分别从负、正电源线引出到共模地，即将共模干扰信号引导入共模地来消除共模干扰，可见共模地的设计很关键，而共模地的设计主要体现在PCB设计上。在PCB设计时，Y电容共模地覆铜面积仅在表层铺设且面积不大，如图5所示（虚线框为实际共模地覆铜面积），这极有可能是造成EMI滤波器没有完全滤除开关电源的共模噪声的原因所在。

对PCB进行更改，增大共模地铺铜面积，在多层敷设共模地网络（该板为6层板），并且将共模地的铺铜面积覆盖DC?DC模块下面，设计如图6所示重新制板生产。

按照上文所述办法重新进行CE102试验，测试结果图（正线）如图7所示，回线情况与正线情况类似。

可见，经重新PCB布局后，滤波器成功将共模噪声抑制并满足测试要求，说明在PCB设计时共模地设计对EMI滤波器的设计成功至关重要。

4 结 语

EMI滤波器可有效滤除开关电源的共模噪声和差模噪声，在开关电源的设计中，越来越受关注。一个原理正确的EMI滤波器设计，在实际工程应用中，会由于PCB设计不当，造成滤波器失效。本文通过CE102实验验证，证明了共模地的PCB设计在EMI滤波器设计中至关重要，同时证明了本文设计的EMI滤波器的有效性。

参考文献

[1] 黄河清.电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[2] 丽萍.开关电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[3] 张桐，超群，婉立.电磁兼容性设计在电源系统设计中的应用[J].电源技术，2010，34（10）：1065?1067.

[4] 王锡吉.电子设备可靠性工程[M].西安：陕西科学技术出版 社，1999.

[5] 张萌.EMC电源线传导发射测量不确定度评定[J].国外电子测量技术，2007，26（10）：24?25.

[6] 电子工业部.GJB151A?97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防工业出版社，1997.

[7] 张卫平.开关电源的EMI滤波器原理及其设计[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会.北京：中国电工学会，2010.

[8] [法]米切尔·麦迪圭安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].刘萍，魏东兴，臧瑞华，等译.北京：机械工业出版社，2002.

[9] 姜传毅.D类音频放大器仿真及EMC设计[D].大连：大连理工大学，2009.

[10] 电子工业部.GJB152A?97 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防工业出版社，1997.

摘 要： 开关电源已广泛应用于电力电子设备中，作为一种EMI源，在设计电源电路中需前置EMI滤波器抑制传导干扰。CE102作为检测电源线传导干扰的一项电磁兼容性试验，成为电子设备尤其是军用电子设备的必测项目，测试超标即意味着设计的失败。设计了一个EMI滤波器，通过CE102测试和分析发现并解决设计存在的问题，并通过整改后的试验验证，证明设计的有效性。

关键词： 开关电源； EMI滤波器； 电磁兼容性； CE102

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0137?03

Abstract： Switching power supply， as a electromagnetic interference （EMI） source， is widely used in power electronic equipments. The EMI filter should be prepositioned in power circuit design to suppress the conducted EMI. CE102 is taken as a project of EMC tests to detect the conducted interference of power?line. It is a necessary measuring project of electronic equipments， especially for military electronic equipments. It means that the design of the power system fails if the interference exceeds the standard. An EMI filter was designed to find and solve the problems of the design by CE102 test and analysis. The effectiveness of the design was proved by CE102 after the test validation.

Keywords： switchingpower supply； EMI filter； EMC； CE102

0 引 言

随着开关电源的迅速发展和广泛应用，它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件，可以有效地抑制开关电源中的传导干扰[1]。

EMI滤波器又称作电源线滤波器，安装在电源线与设备之间，既能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备，又能阻挡设备自身工作中产生的电磁骚扰经电源线进入电网，所以EMI滤波器是电源抗干扰和干扰抑制设计中非常重要的器件[2]。

电磁兼容性问题是衡量电子产品质量的一个重要指标，日益成为电子产品设计中的关键项目[3]。在电源系统设计过程中，引入电磁兼容性设计，可以提高电源系统的整体抗干扰能力，延长系统的使用寿命，确保使用的安全性[4]。

EMC电源线传导发射即CE102是用来测量EUT输入电源线上的传导发射的[5]，而通过CE102 10 kHz～10 MHz电源线传导发射[6]试验是当前几乎所有军用供电设备需满足的设计要求，EMI滤波器设计不当，将直接导致电源线传导发射超标，设计失败。

1 EMI滤波器设计

传导型的EMI噪声包括共模噪声和差模噪声两种。共模噪声存在于所有的交流相线和共模地之间，其产生来源被认为是电气回路之间绝缘电流以及电磁耦合等。差模噪声存在于交流相线之间，产生来源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复电流[7]。所以在进行EMI滤波器设计时，以滤除共模噪声和差模噪声为目标开展设计。

本文设计了一个LC滤波器作为EMI滤波器，其原理框图如图 1虚线框中所示，图中负载为一高速开关电路。电路中L1和L2为共模电感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1为滤波电容，L1，和L2，被设计用来抑制共模干扰，但由于实际电感在生产时的不对称，其对差模干扰也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并联在电源正负线两端，主要用来抑制差模干扰，而CY1和CY2分别从负、正电源线引出到共模地，主要用来抑制共模干扰。

共模电感值的选取与负载情况有关，即电感值与其通过的额定电流有关，关系如表1所示[8]。

对于共模等效电路，滤波器相当于一个LCL滤波器，对于差模等效电路，滤波器相当于一个CL′CL′C′滤波器，均可通过公式（1）计算得出所需电容值，差模等效电路中，由于L′值为共模电感生产不精确引入的，值较小，计算时可忽略不计。

2 EMC试验情况

依据GJB152A CE102试验方法[10]，测试链路图如图2所示。

由测试图可见，添加所设计滤波器后，超标频点传导骚扰虽然得到抑制，但依旧超标，无法通过试验。通过扫描回线传导骚扰发现，回线传导骚扰与正线在相同频点处超标，且幅值相差不大，从而可判断干扰为共模干扰，说明该滤波器在设计应用后，共模干扰没有得到有效滤除。

3 设计整改

在该EMI滤波器设计时，CY1和CY2分别从负、正电源线引出到共模地，即将共模干扰信号引导入共模地来消除共模干扰，可见共模地的设计很关键，而共模地的设计主要体现在PCB设计上。在PCB设计时，Y电容共模地覆铜面积仅在表层铺设且面积不大，如图5所示（虚线框为实际共模地覆铜面积），这极有可能是造成EMI滤波器没有完全滤除开关电源的共模噪声的原因所在。

对PCB进行更改，增大共模地铺铜面积，在多层敷设共模地网络（该板为6层板），并且将共模地的铺铜面积覆盖DC?DC模块下面，设计如图6所示重新制板生产。

按照上文所述办法重新进行CE102试验，测试结果图（正线）如图7所示，回线情况与正线情况类似。

可见，经重新PCB布局后，滤波器成功将共模噪声抑制并满足测试要求，说明在PCB设计时共模地设计对EMI滤波器的设计成功至关重要。

4 结 语

EMI滤波器可有效滤除开关电源的共模噪声和差模噪声，在开关电源的设计中，越来越受关注。一个原理正确的EMI滤波器设计，在实际工程应用中，会由于PCB设计不当，造成滤波器失效。本文通过CE102实验验证，证明了共模地的PCB设计在EMI滤波器设计中至关重要，同时证明了本文设计的EMI滤波器的有效性。

参考文献

[1] 黄河清.电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[2] 丽萍.开关电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[3] 张桐，超群，婉立.电磁兼容性设计在电源系统设计中的应用[J].电源技术，2010，34（10）：1065?1067.

[4] 王锡吉.电子设备可靠性工程[M].西安：陕西科学技术出版 社，1999.

[5] 张萌.EMC电源线传导发射测量不确定度评定[J].国外电子测量技术，2007，26（10）：24?25.

[6] 电子工业部.GJB151A?97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防工业出版社，1997.

[7] 张卫平.开关电源的EMI滤波器原理及其设计[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会.北京：中国电工学会，2010.

[8] [法]米切尔·麦迪圭安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].刘萍，魏东兴，臧瑞华，等译.北京：机械工业出版社，2002.

[9] 姜传毅.D类音频放大器仿真及EMC设计[D].大连：大连理工大学，2009.

[10] 电子工业部.GJB152A?97 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防工业出版社，1997.

摘 要： 开关电源已广泛应用于电力电子设备中，作为一种EMI源，在设计电源电路中需前置EMI滤波器抑制传导干扰。CE102作为检测电源线传导干扰的一项电磁兼容性试验，成为电子设备尤其是军用电子设备的必测项目，测试超标即意味着设计的失败。设计了一个EMI滤波器，通过CE102测试和分析发现并解决设计存在的问题，并通过整改后的试验验证，证明设计的有效性。

关键词： 开关电源； EMI滤波器； 电磁兼容性； CE102

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0137?03

Abstract： Switching power supply， as a electromagnetic interference （EMI） source， is widely used in power electronic equipments. The EMI filter should be prepositioned in power circuit design to suppress the conducted EMI. CE102 is taken as a project of EMC tests to detect the conducted interference of power?line. It is a necessary measuring project of electronic equipments， especially for military electronic equipments. It means that the design of the power system fails if the interference exceeds the standard. An EMI filter was designed to find and solve the problems of the design by CE102 test and analysis. The effectiveness of the design was proved by CE102 after the test validation.

Keywords： switchingpower supply； EMI filter； EMC； CE102

0 引 言

随着开关电源的迅速发展和广泛应用，它们引起的电磁泄露和电磁辐射问题越来越严重。电源EMI滤波器作为开关电源的辅助器件，可以有效地抑制开关电源中的传导干扰[1]。

EMI滤波器又称作电源线滤波器，安装在电源线与设备之间，既能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备，又能阻挡设备自身工作中产生的电磁骚扰经电源线进入电网，所以EMI滤波器是电源抗干扰和干扰抑制设计中非常重要的器件[2]。

电磁兼容性问题是衡量电子产品质量的一个重要指标，日益成为电子产品设计中的关键项目[3]。在电源系统设计过程中，引入电磁兼容性设计，可以提高电源系统的整体抗干扰能力，延长系统的使用寿命，确保使用的安全性[4]。

EMC电源线传导发射即CE102是用来测量EUT输入电源线上的传导发射的[5]，而通过CE102 10 kHz～10 MHz电源线传导发射[6]试验是当前几乎所有军用供电设备需满足的设计要求，EMI滤波器设计不当，将直接导致电源线传导发射超标，设计失败。

1 EMI滤波器设计

传导型的EMI噪声包括共模噪声和差模噪声两种。共模噪声存在于所有的交流相线和共模地之间，其产生来源被认为是电气回路之间绝缘电流以及电磁耦合等。差模噪声存在于交流相线之间，产生来源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复电流[7]。所以在进行EMI滤波器设计时，以滤除共模噪声和差模噪声为目标开展设计。

本文设计了一个LC滤波器作为EMI滤波器，其原理框图如图 1虚线框中所示，图中负载为一高速开关电路。电路中L1和L2为共模电感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1为滤波电容，L1，和L2，被设计用来抑制共模干扰，但由于实际电感在生产时的不对称，其对差模干扰也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并联在电源正负线两端，主要用来抑制差模干扰，而CY1和CY2分别从负、正电源线引出到共模地，主要用来抑制共模干扰。

共模电感值的选取与负载情况有关，即电感值与其通过的额定电流有关，关系如表1所示[8]。

对于共模等效电路，滤波器相当于一个LCL滤波器，对于差模等效电路，滤波器相当于一个CL′CL′C′滤波器，均可通过公式（1）计算得出所需电容值，差模等效电路中，由于L′值为共模电感生产不精确引入的，值较小，计算时可忽略不计。

2 EMC试验情况

依据GJB152A CE102试验方法[10]，测试链路图如图2所示。

由测试图可见，添加所设计滤波器后，超标频点传导骚扰虽然得到抑制，但依旧超标，无法通过试验。通过扫描回线传导骚扰发现，回线传导骚扰与正线在相同频点处超标，且幅值相差不大，从而可判断干扰为共模干扰，说明该滤波器在设计应用后，共模干扰没有得到有效滤除。

3 设计整改

在该EMI滤波器设计时，CY1和CY2分别从负、正电源线引出到共模地，即将共模干扰信号引导入共模地来消除共模干扰，可见共模地的设计很关键，而共模地的设计主要体现在PCB设计上。在PCB设计时，Y电容共模地覆铜面积仅在表层铺设且面积不大，如图5所示（虚线框为实际共模地覆铜面积），这极有可能是造成EMI滤波器没有完全滤除开关电源的共模噪声的原因所在。

对PCB进行更改，增大共模地铺铜面积，在多层敷设共模地网络（该板为6层板），并且将共模地的铺铜面积覆盖DC?DC模块下面，设计如图6所示重新制板生产。

按照上文所述办法重新进行CE102试验，测试结果图（正线）如图7所示，回线情况与正线情况类似。

可见，经重新PCB布局后，滤波器成功将共模噪声抑制并满足测试要求，说明在PCB设计时共模地设计对EMI滤波器的设计成功至关重要。

4 结 语

EMI滤波器可有效滤除开关电源的共模噪声和差模噪声，在开关电源的设计中，越来越受关注。一个原理正确的EMI滤波器设计，在实际工程应用中，会由于PCB设计不当，造成滤波器失效。本文通过CE102实验验证，证明了共模地的PCB设计在EMI滤波器设计中至关重要，同时证明了本文设计的EMI滤波器的有效性。

参考文献

[1] 黄河清.电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[2] 丽萍.开关电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[3] 张桐，超群，婉立.电磁兼容性设计在电源系统设计中的应用[J].电源技术，2010，34（10）：1065?1067.

[4] 王锡吉.电子设备可靠性工程[M].西安：陕西科学技术出版 社，1999.

[5] 张萌.EMC电源线传导发射测量不确定度评定[J].国外电子测量技术，2007，26（10）：24?25.

[6] 电子工业部.GJB151A?97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防工业出版社，1997.

[7] 张卫平.开关电源的EMI滤波器原理及其设计[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会.北京：中国电工学会，2010.

[8] [法]米切尔·麦迪圭安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].刘萍，魏东兴，臧瑞华，等译.北京：机械工业出版社，2002.

[9] 姜传毅.D类音频放大器仿真及EMC设计[D].大连：大连理工大学，2009.

[10] 电子工业部.GJB152A?97 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防工业出版社，1997.