无源滤波器在开关电源中的应用分析

吴重重

摘 要：在电气开关电源中，传导性电源干扰是一种主要干扰源，因此在开关电源设计和应用时应该考虑电磁兼容性指标。在开关电源设计时应该考虑到电磁干扰问题，并采取适当的滤波措施。本文在开关电源中应用了无源滤波器技术，有利于消除电源高频段的电磁干扰。本文对开关电源的传导性电磁干扰进行了简要的分析，并对无源滤波器及其元件特性进行了分析，探讨了无源滤波器在开关电源中的具体应用，供相关人员参考借鉴。

关键词：开关电源；无源滤波器；传导性电磁干扰

中图分类号： TN713.92 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）24-223-2

0 引言

现在电子设备中越来越多的应用到了开关电源，其具有效率高、自重轻、体积小的优点，但是在应用的过程中也发现，开关电源的高频化容易带来噪声，而且在传导和辐射的作用下，开关电源的高频化还会对周围的电磁环境造成污染，不利于周围其他电子设备的运行。因此，在开关电源设计中应该充分考虑设备间的电磁兼容问题，电源产品的电磁兼容已经成为了该产品的重要性能参数。

1 开关电源的传导性电磁干扰

可以将开关电源的传导性干扰分为两个类别，分别为共模干扰、差模干扰，开关管的关断和开通期间产生的干扰为共模干扰，其是一种非对称性噪声，叠加在电源的正负之间。开关管关断与开通期间还会产生差模干扰，差模干扰是对称性噪声，叠加在电源的正负之间。为了使开关电源的电磁干扰得到有效遏制，当前使用的主要方法是噪声源平衡技术、调频——非恒频的PWM技术等。通过具有互异性能的无源滤波器，能够对电源传入开关电源的干扰进行有效抑制，同时也能够对开关电源反向传输电源的干扰进行有效抑制，因此将滤波器加入电源的输入端是一种对传导性干扰进行抑制的有效方法[1]。

图1为传导性干扰模型，反映了典型的反激式开关的传导性干扰问题。图1中的VT为开关管，在关断和开通开关管的过程中，就会产生id（差模干扰电流），差模干扰电流会从输入电源Vs中流过，并且受到电源内阻Zs的阻碍，产生传导性差模干扰电压，主要作用于电源的两端，用ud表示。屏蔽地和散热器是直接连接的，屏蔽体与铁氧体通常也是连接的，铁氧体和变压器之间的分布电容、散热器和开关管底板之间的分布电容与屏蔽地之间的分布电容Cb和A点有关。A点对地之间的电压差会随着VT的开关状态变化而变化，该电压差用uA表示，在uA变化的过程中，Cb上会出现位移电流，用ic1和ic2表示。位移电流会通过负端电源线和正端电源线，然后受到负端接地电阻和正端接地电阻的影响，从而产生共模传导性干扰电压，用u1和u2表示。为了使id、ic1、ic2的影响减小，就必须使开关电源传导性电磁干扰减小[2]。

id可以通过Cd2、Cd1、Ld获得低阻抗通路，从而使id中流过的电源减小，达到使ud减小的目的。降低共模干扰电路图中，降低共模干扰主要是通过虚线框内的Cc2、Cc1、Lc2、Lc1组成的电路来完成的。共模电流的低阻抗通路主要是通过Cc2、Cc1提供的，达到了使u1、u2减少的目的。共模回路是屏蔽地和电源线共同构成的，通过Lc2、Lc1能够使回路的阻抗增大，此时的共模电感Lc2、Lc1流过ic1时，就会出现方向相反、大小相等的电动势，两个电动势的相互抵销，会有效地减小共模电流ic1。与此同时还要对结构和电路进行合理设计，这样能够使Cb进一步减小，从而使ic2得到减小[3]。

2 无源滤波器

2.1 无源滤波器的结构和原理

无源滤波器是一种无源网络，其包括电子元件、电容和电感，其目的在于对线路中干扰信号的传播进行抑制和衰减。作为一种低通元件，电源线滤波器隶属于无源滤波器，不同的电源线无源滤波器能够抑制不同的频率。

在电源开关中，电磁干扰主要是通过电源线来传出和传入设备的，为了避免电磁干扰在设备中的传出和传入，应该将无源滤波器安装在设备电源接口处。只有电源频率才能通过无源滤波器，而电磁干扰的频率高于电源频率，这样就可以很大程度地衰减和抑制电磁干扰。

传导发生问题可以通过无源滤波器来解决，但是在原线上的传导发射还会对导线的辐射发射造成影响，所以为了减小设备的辐射发射，也可以使用无源滤波器。图2为无源滤波器原理结构图，在零线和火线之间跨接差模滤波电容（CX），对于差模电流而言，差模滤波电容能够起到旁路的作用，此时取0.1-1LF为电容值。在机壳地与零线或火线之间跨接共模滤波电容（CY），对于共模电流而言，共模滤波电容能够起到旁路的作用。此时要注意对共模滤波电容的电容值进行控制，一般情况下不超过10000pF，这是由于相关安全标准，对漏电电流具有一定的限制。

一般滤波器中往往只安装共模扼流圈，其作用在于通过漏电感来产生一定的差模电感，从而抑制差模电流。如有需要涉及时还可以对共模扼流圈的漏电量进行适当地增加，从而使差模电感量提高。应该根据所需滤除的干扰频率来确定共模扼流圈的电感量，干扰频率越高，所需的电感量越小，共模扼流圈的电感量最小为1mH，最大能够达到几十mH。要对开关电源电路产生的低频，高强度干扰问题进行解决，就应该提供大于CX差模衰减的衰减，这就需要使用到差模扼流圈。

2.2 无源滤波器的器件选择

2.2.1选择无源滤波器的电容器

电容器的频率范围会受到其材料的影响，应该尽量选择频率高、特性好的电容器。当前常见的电容类型主要有铝电解电容、电解电容、纸介电容、聚酯树脂电容、高介陶瓷（独石）电容、云母低损陶瓷玻璃电容、聚苯乙烯聚丙乙烯电容。其中铝电解电容和电解电容属于低频电容，纸介电容、聚酯树脂电容、高介陶瓷（独石）电容为中频电容，高介陶瓷（独石）电容介于中频和高频之间，云母低损陶瓷玻璃电容、聚苯乙烯聚丙乙烯电容属于高频电容。

除此之外，还应该选用残余电容小的电容，这是由于插入损耗会随着跨接电容CX的增大而增大，因此在对差模噪声进行滤除时，还要同时滤除通路中旁路电容的高频噪声。此时应该注意到电容引线对滤波效果会产生一定的影响，电容器的频率和容抗成反比关系，因此应该在地线和信号线直接并联电容，从而对高频噪声进行旁路。

C和等效电感等效电感（ESL）共同组成了电容的谐振频率，电感值或电容值的增大会降低谐振频率，从而降低电容的高频滤波效果。因此电容的引线长度是电容器的重要参数，引线的长度与电感成正比，加长电容引线有利于降低电容的谐振频率，因此应该尽量选用以前较短的电容器。有两种基本的方法可以使电容器对高频干扰旁路的效果得到提高，一种方法是在电容安装时尽量缩短电容的引线，电容引线的长度也包括线路板上等效到电容引线的轨线长度。另一种方法是选择合适的电容种类，尽量使用具有较小电感的电容。

当前用最广泛的电容器是陶瓷电容器，这种电容器比较适合射频滤波，尽管陶瓷电容器的独石电容并非专业干扰滤波器件，但是陶瓷电容器的一个重要特性就是有较好的高频特性，而且没有引线。

2.2.2选择电磁干扰抑制铁氧体

在开关电源，电磁兼容性设计中一般选择软磁材料作为磁性材料，要求软磁材料必须具有较高的饱和磁感应强度、电阻率和磁导率，具有狭窄的磁滞回线和较小的矫顽力。一般情况下在铁氧体上绕制共模扼流圈，从而获得较大的电感量，并且排除了磁心饱和的风险。在铁粉磁芯上绕制差模扼流圈，其具有较低的磁导率，但是不易出现饱和。还有一些情况下，为了避免磁心饱和，要在磁路开放的磁心上绕制差模扼流圈，这样可以使磁芯中的磁通密度减小，尽量避免磁心饱和的现象。作为高效的磁场接收器件，电感会收集周围的干扰，形成新的干扰，因此必须采取相应的屏蔽措施。共模滤波是最常用的电磁兼容，这是由于大部分电磁干扰都是从空间向线缆上耦合的。但是共模滤波会形成共模电压干扰电压，必须对干扰电压低频噪声进行滤除，对于低频段传导干扰的抑制作用会随着电感值的增大而增大。

2.3 无源滤波器的电路设置

本文将反激式开关电源传导干扰模型中的开关源等效作为一个负载RL，把开关电源输入端等，正负端接地电阻并入RS，电源输入端加入的无源滤波器原理图，电源输入端加入的滤波器开关电源电路图。对差模噪声的抑制主要通过Cd、Ld来完成，选择具有良好的M-F特性以及不容易饱和的铁芯材料来作为Ld的铁芯。使用聚酯薄膜电容或陶瓷电容心作为Cd，保障其具有一定的耐压值。共模噪声的抑制主要通过Cc和Lc来完成，可以以实际噪声源的特征为依据对参数进行相应的调整。

3 无源滤波器在开关电源中的具体应用

在轨道交通的空调开关电源电路中，可以用无源滤波器，并取得较好的应用效果，对轨道交通空调开关电源中的电磁干扰进行有效地滤除，具体应用方式如下。

在车用牵引逆变器的IPM驱动电源电路中应用无源滤波器，将单端反激式电流控制型的UC2843驱动芯片安装于IPM驱动电源电路之中，并使用断续式的电流工作模式，具有良好的过流保护功能和输出稳压。

将无源滤波器加入开关电源的输入端，本文选择的无源滤波器的参数为Cc：0.047μF，Lc：10mH、Cd： 0.1μF、Ld：0.1 mH。，将输出端滤波器放置在次级电源中，能够对输出端的差模干扰进行有效抑制，其中Cd2： 1μF、Lc2：0.1 mH。

6.13μs为干扰信号的周期，与之相对应的IPM开关频率应该是16.3kHz，滤波器输入端的电压用Vin表示，其波形为曲线W1，干扰电压的幅值约为2V。滤波器输出端的电压用Vo表示，其波形为曲线W2，此时干扰信号的幅值为0.2V左右。由于无源滤波器具有双向性的特点，能够对IPM开关反馈的干扰信号和输入电源的干扰信号进行同时滤出，因此开关电源的电磁干扰能够得到有效地抑制和削减，具有良好的应用效果。

4 结语

在现代电子设备中，开关电源的应用越来越广泛，而开关电源高频化带来的大量噪声，也对开关电源的应用造成了不利的影响。当前各国都对电器产品的电磁兼容提出了一定的标准和规定，将电源产品的电磁兼容指标作为其重要的性能参数。通过对开关电源传导性电磁干扰机理进行分析，本文认为要减少开关电源的传导干扰，可以使用无源滤波技术，可以使用无源滤波技术元件特性，通过选择合适的元件能够提高无源滤波器的应用效果。

参 考 文 献

[1] 汪力，程剑兵，王显强，张伏生.基于多目标粒子群算法的无源电力滤波器优化设计[J].电力系统保护与控制，2011（08）.

[2] 褚元好，孙文栋，康锦鹤，高军伟，姜志彬.开关电源系统设计[J].电子制作，2013（14）.

[3] 钱丽英.开关电源系统稳定性补偿电路的设计[J].硅谷，2011（23）.