开关电源滤波器设计.docx

开关电源滤波器设计(一) 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,此两分量分别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则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,我们必须针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PowerMOSFET(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。而差模噪声则由电源电路初级端的非连续电流及输入端滤波大电容(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开关电源滤波器设计(二) 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绍: 图四EMI滤波器的架构 1共模电感(CMinductor): 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Ferritecore,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,由另一端量图五共模电感图六共模电感的漏感测量法测电感值,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。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(Fluxlinkage),I是线圈电流,故上下两线圈的各别感值是图八的两倍,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 (DMinductor): 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(Ironpowdercore),由于值