开关电源的滤波器设计.doc

开关电源滤波器设计一、前言　　传导EMI 是由电源、信号线传导的噪声，连接在同一电网系统中的设备所产生的EMI会经过电源线相互干扰，为了对传到EMI进行抑制，通常在设备宇电源之间加装滤波器，本文主要探讨开关电源的EMI滤波器设计方法。二、开关电源的传到EMI来源与组成　　开关电源的噪声包含有共模和差模两个分量，此两分量分別是由共模电流和差模电流所造成的。图一所示为共模电流和差模电流的关系图，其中LISN 为电源传输阻抗稳定网络，是传导性EMI 量测的重要工具。在三线式的电力系统中，由电源所取得的电流依其流向可分为共模电流和差模噪声电流。其中，共模噪声电流ICM 指的是Line、Neutral 两线相对于接地线(Ground)之噪声电流分量，而差模噪声电流IDM 指的是直接流经Line 和Neutral两线之间而不流经过地线之噪声电流分量。 　　开关电源　　图一共模电流和差模电流之关系图　　在Line 上，共模噪声电流和差模噪声电流分量是以向量和的关系结合，而在Neutral 上，共模噪声电流和差模噪声电流分量則是以向量差的关系结合，两者的关系以数学式表示如下：　　　　其中， 为流经Line 之总噪声电流， 为流经Neutral 之总噪声电流。　　为了有效抑制噪声，我们必须針对噪声源的产生及其耦合路径进行分析。共模噪声主要是由电路上之Power MOSFET(Cq)、快速二极体(Cd)及高频变压器(Ct)上之寄生电容和杂散电容所造成的，如图二所示。而差模噪声則由电源电路初級端的非连续电流及輸入端滤波大电容(CB)上的寄生电阻及电感所造成，如图三所示。 图二共模电流耦合路径图三差模电流耦合路径 三、EMI 滤波器的基本架构　　本文所使用的EMI 滤波器的架构如图四所示，其中的元件包含了共模电感(LC)、差模电感(LD)、X 电容(CX1、CX2)、Y 电容(CY)，以下将对各元件作一一介紹：图四EMI滤波器的架构 1 共模电感(CM inductor)：　　共模电感是将两组线圈依图五的绕线方式绕在一个铁心上，这种铁心一般是　　采用高值的Ferrite core，由于值较高，故电感值较高，典型值是数mH 到数十mH 之间。图五上的绕线方式会使差模电流相互抵消，故对差模而言不具有电感的效果，也不易使铁心饱和。反之对共模电流而言，其所产生的磁通会加倍，所以具有电感的效果。一般而言，耦合电感均有漏电感，因此，绕组对差模电流所产生的磁通无法完全抵消，这对差模噪声的衰减将会有所效用。另一方面对共模电流而言，因为磁通无法完全加倍，这将使得共模电感值降低。　　共模电感的漏感量测方式如图六所示，将两绕组其中一端连接，由另一端量测电感值，此量测到的感值即是共模电感的漏感量，可表示成2(LC-M)，其中M表示两绕组之间的互感。　 　　 图五共模电感 　　　图六共模电感的漏感测量法 在滤波器中共模电感的两个绕组是并联的，以图七为例，理想上，上下两线圈所产生的磁通量是图八的两倍，由于电感的定义是L=φ/I?，其中?是磁通链(Flux linkage)，I 是线圈电流，故上下两线圈的各別感值是图八的两倍，不过两者又是并联，并联后的感值将和图七相同，故等效的共模电感是LC 而不是LC/2。　　图七测量共模电感的两线圈图八测量共模电感的一个线圈 2. 差模电感(DM inductor)：　　差模电感必须流过交流电源电流，一般是采用?值较低的铁粉心(Iron powdercore)，由于?值较低所以感值较低，典型值是数十uH 到数百uH 之间。3.X 电容：　　X 电容是裝在L、N 之间，一般是选用高容值的金属膜电容，容值由0.1uF到1uF。4. uY 电容：　　Y 电容是裝在L-G、N-G 之间的电容，通常以成对、相等的容值对稱的出現在滤波器上，其大小必须要符合安规的限制。 四、EMI 滤波器之CM、DM等效电路推导及衰减度的评估　　在本文推导等效电路的过程当中，我们把CM电感的漏电感部分，全部并入DM 电感LD 当中。其CM 和DM 等效电路的绘制方法如下：1. CM 的等效电路:　　欲求图四EMI 滤波器之CM 等效模型，其步骤如下：　　a. 将所有的X 电容消去，如图九所示。　　 干扰源　　图九EMI滤波器的CM等效模型之一 　　b.以接地点为对稱点将电路对折，其等效CM 电感量等于尚未对折电路之电感量，而DM 电感由于并联的关系，其等效电感量为原本的一半，而Y 电容的等效电容并联成尚未对折电路的两倍，LISN 提供的二个50Ω负载并联成25Ω的等效负载，如图十所示。 　　　 干扰源　　图十EMI滤波器的CM等效模型之二 2. DM 等效电路：　　欲求图四之EMI 滤波器DM 等效模型推导步骤如下：