開關電源的電磁干擾濾波器設計研究

0 前 言

開關電源應用最為廣泛，但EMI最為嚴重。開關電源EMI主要來源：其一：在整流環節中，由于濾波電容器容量很大，整流管僅在交流電壓峰值附近導通，此時電容器流經較大的充電尖峰電流，產生了豐富的諧量分量；其二：由于DC/DC變換器開關頻率在幾十KHZ至幾百KHZ之間，開關管電流含有豐富的諧波分量，而且是開關電源主要電磁干擾源。

由于開關電源EMI主要是傳導干擾，采用濾波器來抑制是最主要的手段。EMI濾波器設計與一般信號濾波器設計完全不同，必須采取特殊設計方法。

本文采用完全有別于信號濾波器的設計方法，采用“三點頻率法”設計了雙級LC濾波器，濾波器效果令人滿意。

1 濾波器設計

雙級LC網絡插入開關電源電路中的位置如圖1所示。

圖1 LC網絡在開關電源電路中的位置

假定直流電源側為低阻抗電壓源Us，DC/DC變換器輸入端為高阻抗電流源i(t)。那么LC濾波器只能選擇“ Γ”型結構，最簡單的雙“ Γ”型LC網絡如圖2所示。其頻域傳遞函數為

圖2 雙級LC網絡

由于LC網絡諧振時，會產生很大的電流（電壓）峰值，這個網絡有3個頻率點的諧振峰值是必須限制，否則，會產生更大的EMI。限制這3個頻率點的峰值是設計這個濾波器的主要指導思想。這3個頻率點分別是：

由于LC網絡諧振時，會產生很大的電流（壓）峰值，這個網絡有3個頻率點的諧振峰值是必須限制，否則，會產生更大的EMI。限制這3個頻率點的峰值是設計這個濾波器的主要指導思想。這3個頻率點分別是：

第一級濾波器的諧振頻率：

第二級濾波器的諧振頻率：

第3個頻率點就是DC/DC 變換器的開關頻率f。

下面具體討論濾波器設計方法，即選取LC 網絡中元件參數的方法。由上面3個式子，3個頻率點對應的傳遞函數的幅值分別為：

元件參數選取方法討論如下：

為了限制1 f 點的諧振峰值，要求插入衰減20logH1＝20logC1/C2＜0，即C1/C2＜0。

根據經驗，它們的比值范圍為
C1/C2＝0.1～0.5 （7）

為了限制f2點的諧振峰值，同理選取
L1/L2＝0.1～0.5 （8）

為了限制f 點的諧振峰值，要求20logH3＝－20～－150dB，即
H3＝0.1～0.5 （9）

元件參數選取步驟歸納如下：

（1）由(7)～(9)式確定了比值，這樣只有二個參數是獨立的；

（2）由于濾波器負載側（開關電流i(t)側）諧波分量較大，C2應選一個大容量電容器；

（3）由(1)、(2)步結果代入(9)式，就可以確定另一個獨立參數。

由直流側電源Us確定電容器額定電壓值Uce≥2Us。

例如：若開關電源開關頻率f＝50kHz，Us＝24V，由上述參數選取原則，選取二組參數見表1。

表1 元件參數