1、摘要：開關電源中常用EMI濾波器抑制共模干擾和差模干擾。三端電容器 在抑制開關電源高頻干擾方面有良好性能。文中在開關電源一般性能 EMI濾波 器電路結構基礎上，給出了使用三端電容器抑制高頻噪聲的濾波器結構。并使用 PSpice軟件對插入損耗進行仿真，給出了仿真結果。1開關電源特點及噪聲產(chǎn)生原因隨著電子技術的高速發(fā)展，電子設備種類日益增多，而任何電子設備都離不 開穩(wěn)定可靠的電源，因此對電源的要求也越來越高。 開關電源以其高效率、低發(fā) 熱量、穩(wěn)定性好、體積小、重量輕、利于環(huán)境保護等優(yōu)點，近年來取得快速發(fā)展， 應用領域不斷擴大。開關電源工作在高頻開關狀態(tài)，本身就會對供電設備產(chǎn)生干 擾，危害其正常工作

2、；而外部干擾同樣會影響其正常工作。開關電源干擾主要來源于工頻電流的整流波形和開關操作波形。這些波形的電流泄漏到輸入部位就成為傳導噪聲和輻射噪聲，泄漏到輸出部位就形成了波紋 問題。考慮到電磁兼容性的有關要求，應采用 EMI電源濾波器來抑制開關電源 上的干擾。文中主要研究的是開關電源輸入端的EMI濾波器。2 EMI濾波器的結構開關電源輸入端采用的EMI濾波器是一種雙向濾波器，是由電容和電感構 成的低通濾波器，既能抑制從交流電源線上引入的外部電磁干擾， 還可以避免本 身設備向外部發(fā)出噪聲干擾。開關電源的干擾分為差模干擾和共模干擾， 在線路 中的傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾是火線

3、與零線之間 產(chǎn)生的干擾，共模干擾是火線或零線與地線之間產(chǎn)生的干擾。 抑制差模干擾信號 和共模干擾信號普遍有效的方法就是在開關電源輸入電路中加裝電磁干擾濾波 器。EMI濾波器的電路結構包括共模扼流圈（共模電感）L,差模電容Cx和共模電 容Cy。共模扼流圈是在一個磁環(huán)（閉磁路）的上下兩個半環(huán)上，分別繞制相同匝 數(shù)但繞向相反的線圈。兩個線圈的磁通方向一致，共模干擾出現(xiàn)時，總電感迅速 增大產(chǎn)生很大的感抗，從而可以抑制共模干擾，而對差模干擾不起作用。為了更 好地抑制共模噪聲；共模扼流圈應選用磁導率高，高頻性能好的磁芯。共模扼流圈的電感值與額 定電流有關。差模電容Cx通常選用金屬膜電容，取值范圍一般在 0

4、. 11pF。 Cy用于抑制較高頻率的共模干擾信號，取值范圍一般為22006800 pF 。常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于接地，共模電容Cy上會產(chǎn)生漏電流Ii-d。因為漏電流會對人體安全造成傷害，所以漏電流應盡量小，通常 <1.0 mA。共 模電容取值與漏電流大小有關，所以不宜過大，取值范圍一般為22004700 pF。 R為Cx的泄放電阻。電源濾波器的性能很大程度上取決于其端阻抗，根據(jù)信號 傳輸理論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與負載端的端接應遵循 阻抗極大不匹配原則。因此，濾波器設計時應遵循：（1）源內(nèi)阻是高阻（低阻）的，濾波器輸入阻抗就應該是低阻（高阻）；（2）負

5、載是高阻（低阻）的，則濾波器輸出阻 抗就應該是低阻（高阻）。對EMI信號來說，電感是高阻，電容是低阻，則有圖 1 中的4種濾波器選用類型。圖1 一般性能EM濾波器結構電源濾波器一般用來抑制30 MHz以下頻率范圍的噪音，但對30 MHz以上 的輻射發(fā)射干擾也有一定的抑制作用。 根據(jù)開關電源共模、差模干擾的特點?？?以按干擾的分布大概劃分為3個頻段：0.150.5 MHz差模干擾為主；0. 5 5 MHz差模、共模干擾共存；530 MHz共模干擾為主。源阻抗濾波器形式負載阻抗低二 *低低 *高高一1I低高11TT離圖2 電源EMI涯波器的選用形式3插入損耗插入損耗是*價濾波器性能的主要指標，它是

6、頻率的函數(shù)。插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比，用dB表示。插入損耗越大，說明濾波器抑制干擾 的能力越強。濾波器接入前后的電路圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。濾波器的插入 損耗由式表示。所以,捕人損耗電m以表示為IL =20設圖3(b)二端口網(wǎng)絡的4參數(shù)矩陣為I gijA -則插入損耗II = 2U %晶 嗎嘲 J.4三端電容器在高頻線路中，因為一般電容器的引線具有電感分量， 所以影響了其高頻特性。而三端電容器在結構上可以做到與電容器串聯(lián)的剩余電感分量很小， 因此其 插入損耗特性優(yōu)于兩端電容器，從而改善了電容器的高頻特

7、性。三端電容器有引 線式和片狀式兩種。O-3插入濾波器前的電路(b)插入濾波器后的電路圖3 插入濾波器前、后的電路通常采用旁路電容抑制高頻噪聲。實際的電容器不僅具有電容C,還有等效 用聯(lián)電阻ESR和等效用聯(lián)電感ESL。由于寄生電感的影響，對于一個實際的電 容存在著自諧振頻率。在這個頻率以上時，電容呈感性。元件的寄生參數(shù)也會極 大地影響濾波器的高頻特性。電容的寄生電感是主要的寄生參數(shù)， 而對于電感來 說，寄生電容是主要的寄生參數(shù)。電容器用作旁路電容時，如圖4(a)所示，兩端電容器一端接地，另一端與信號線連接。三端電容器一端接地，其余兩端與電容 器的一個電極相連并串聯(lián)到信號線上， 如圖4(b)所示

8、。一般的兩端電容器由于與 其電路連接的引線電感或電極所產(chǎn)生的等效用聯(lián)電感較大，所以自諧振點較低，旁通效應也隨之降低。采用三端電容器可有效改善此缺陷。 原因在于三端電容器 中流入地的電流與信號線中電流方向正交，所以其寄生電感比兩端電容降低約50%,并且其中70%以上的寄生電感轉(zhuǎn)移到信號線上。因此提高了三端電容器 的自諧振頻率，也可以將它作為 T形濾波器使用，更好地抑制高頻噪聲。三端電容器的地線電感起著不良作用，作為旁路電容抑制高頻噪聲時，宜采用無引線 的片式陶瓷電容器。圖5為兩端電容器與三端電容器插入損耗的比較。w兩端電容法fb)=湍電各器a-i兩端也客昌與三就業(yè)容25的等蛀也路錢率圖5 殉端電

9、容器3三端也卷器的插A朽耗的比較運5改進型結構線路旁通電容Cy是用來消除高頻噪聲的組件，基于對今后開關操作頻率的高頻化考慮，宜選用能消除頻率高達 1000MHz噪聲的電容器。而一般的兩端結構的旁通電容器僅能消除30MHz左右的噪聲。由以上介紹可知，相對兩端電容器來說，三端電容器能更好地抑制高頻噪聲。以 EMI濾波器的一般結構為基礎,用三端電容器替代其中的兩端旁通電容 Cy,電路圖，如圖6所示。其中ESL為三端電容器信號線上的等效申聯(lián)電感。ESL圖6 使用三端電容器的濾波器結構6 PSpice 仿真(1)使用三端電容的電路的插損與以往電路插損的比較。取差模電容Cx為0. 1仙F,共模電容Cy為2

10、200pF ,共模電感L取8mH。 三端電容的等效用聯(lián)電感 ESL取0. 36nH。在50 Q/50 QQ系統(tǒng)中分別對一 股結構的EMI濾波器和使用了三端電容器的 EMI濾波器的插入損耗進行PSpice 仿真。如圖7所示，EMI濾波器在使用三端電容時，諧振點之后的插損效果明顯 好于在濾波器中使用兩端電容的插損。提高了濾波器在高頻段的性能。用7 使用三場電客電路的椅極與以往叱喀妁場眄比政專9至 <蚓(2)不同Cy值，固定ESL。在使用三端電容的濾波器電路中，輸入阻抗和輸出阻抗都取50時，分別取共模電容Cy為4700pF , 3300pF和2200pF ,其他參數(shù)不變，觀察共模電容Cy變化時

11、對插入損耗的影響。通過圖8的仿真結果看出，隨著共模電容的增大， 在高頻段插入損耗有所提高，并且濾波器諧振點降低；而在低頻段基本沒有變化。 因此可以通過選擇較大的共模電容來提高濾波器高頻段的插入損耗。由于共模電容需要接地，有漏電流，Iid的存在，對人身安全存在威脅。而共模電容越大， 漏電流越大，所以選擇共模電容時需要在漏電流滿足安全條件的情況下取值o頻率圖8 共模電容時插入損耗的影響固定Cy值，不同ESL?？疾烊穗娙萜髋c信號線串聯(lián)的等效用聯(lián)電感ESL對插入損耗的影響。取共模電容 Cy 為 3 300 pF ,取 ESL 分別為 0. 03 nH , 0. 36 nH 和 0. 72 nH , 其他參數(shù)值不變。從圖9的仿真結果可以看出，隨著ESL降低，諧振點提高， 諧振點之后的插入損耗下降。150工一 734M-罪 V&#