基于低通滤波器的低频模型分析

弁言

在开关电源中，EMI滤波器对共模和差模传导噪声的按捺起着显著的感化。在研讨滤波器道理的基础上，探讨了一种对共模、差模旌旗灯号举行自力阐发，分手建模的要领，最初基于此提出了一种EMI滤波器的设想步伐。

高频开关电源因为其在体积、分量、功率密度、服从等方面的诸多好处，曾经被广泛地应用于工业、国防、家电产物等各个畛域。在开关电源应用于交换电网的场所，整流电路每每致使输出电流的断续，这除了大大下降输出功率因数外，还增加了少量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关行动（从几十kHz到数MHz），形成为了EMI（electromagnetic interference）骚扰源。从已揭晓的开关电源论文可知，在开关电源中首要存在的滋扰方式是传导滋扰和近场辐射滋扰，传导滋扰还会注入电网，滋扰接入电网的其余设置装备摆设。

缩小传导滋扰的要领有不少，诸如正当铺设地线，采用星型铺地，防止环形地线，尽量缩小大众阻抗；设想正当的缓冲电路；缩小电路杂散电容等。除此以外，能够应用EMI滤波器衰减电网与开关电源对相互的噪声滋扰。

EMI骚扰平日难以正确描绘，滤波器的设想一般为经由过程频频迭代，计较制造以求慢慢切近亲近设想请求。本文从EMI滤波道理动手，分手经由过程对其共模和差模噪声模子的阐发，给出实践工作中设想滤波器的要领，并分步调给出设想实例。

1、EMI滤波器设想道理

在开关电源中，首要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关行动发生的dv/dt和di/dt，于是电磁发射EME(Electromagnetic Emission)一般为宽带的噪声旌旗灯号，其频次局限从开关事情频次到几MHz。以是，传导型电磁环境（EME）的丈量，正如不少国际和国度规范所划定，频次范围在0.15～30MHz。设想EMI滤波器，便是要对开关频次及其高次谐波的噪声赋予足够的衰减。基于上述规范，平日情况下只需思量将频次高于150kHz的EME衰减至正当范围内即可。

在数字旌旗灯号处置畛域广泛认同的低通滤波器观点异样适用于电力电子装配中。简言之，EMI滤波器设想能够理解为要餍足如下请求：

1）划定请求的阻带频次和阻带衰减；（餍足某一特定频次fstop有需求Hstop的衰减）；

2）对电网频次低衰减（餍足划定的通带频次和通带低衰减）；

3）低成本。

1.1、经常使用低通滤波器模子

EMI滤波器平日置于开关电源与电网相连的前端,是由串连电抗器和并联电容器构成的低通滤波器。如图1所示，噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器目标（fstop和Hstop）能够由一阶、二阶或三阶低通滤波器完成，滤波器通报函数的计较通常在高频下类似，也就是说关于n阶滤波器，疏忽所有ωk相干项（当k

1.2、EMI滤波器等效电路

传导型EMI噪声包括共模（CM）噪声和差模(DM)噪声两种。共模噪声存在于所有交换相线(L、N)和共模地(E)之间，其发生起源被认为是两电气回路之间绝缘泄露电流以及电磁场耦合等；差模噪声存在于交换相线(L、N)之间，发生起源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向复原特点。这两种模式的传导噪声起源分歧，传导路子也分歧，于是共模滤波器和差模滤波器应该分手设想。

明显，针对两种分歧模式的传导噪声，将其分手并分手测量出实践程度是非常需要的，这将有利于肯定那种模式的噪声占首要部份，并响应地体现在对应的滤波器设想过程当中，完成参数优化。

以一种经常使用的滤波器拓扑〔图2(a)〕为例，分别对共模、差模噪声滤波器等效电路举行阐发。图2(b)及图2(c)分手代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。阐发电路可知，Cx1和Cx2只用于按捺差模噪声，现实的共模扼流电感LC只用于按捺共模噪声。然则，因为实践的LC绕制的不对称，在两组LC之间存在有漏感Lg也可用于按捺差模噪声。Cy即可按捺共模滋扰、又可按捺差模噪声，只是因为差模按捺电容Cx2远大于Cy，Cy对差模按捺可疏忽不计。异样，LD既可按捺共模滋扰、又可按捺差模滋扰，但LD远小于LC，因而对共模噪声按捺感化也相对于很小。

由表1和图2能够推出，关于共模等效电路，滤波器模子为一个二阶LC型低通滤波器，将等效共模电感记为LCM，等效共模电容记为CCM，则有

L_CM=L_C＋1/2L_D（1）
C_CM=2C_y（2）

关于差模等效电路，滤波器模子为一个三阶CLC型低通滤波器,将等效差模电感记为LDM，等效差模电容记为CDM（令Cx1=Cx2且觉得Cy/2<

L=2L_D＋L_g（3）

C_DM=C_x1=C_x2（4）

LC型滤波器截止频次计较公式为

将式（1）及式（2）代入式（5），则有

CLC型滤波器截止频次计较公式为

将式（3）及式（4）代入式（7），则有

在噪声源阻抗和电网阻抗均肯定，且互相立室的情况下，EMI滤波器对共模和差模噪声的按捺感化，如图3所示。

2、设想EMI滤波器的实践要领

2.1、设想中的几点思量

EMI滤波器的结果非但依赖于其本身，还与噪声源阻抗及电网阻抗无关。电网阻抗Zsink平日应用动态阻抗赔偿网络(LISN)来校订，接在滤波器与电网之间，包孕电感、电容和一个50Ω电阻，从而保障电网阻抗可由已知规范求出。而EMI源阻抗则取决于分歧的变换器拓扑方式。

以典范的反激式开关电源为例，如图4（a）所示，其全桥整流电路电流为断续状况，电流电压波形如图5所示关于共模噪声，图4(b)所示Zsource能够看做一个电流源IS和一个高阻抗ZP并联关于差模噪声，取决于整流桥二极管情形，Zsource有两种状况此中肆意两只二极管导通时，Zsource等效为一个电压源VS与一个低值阻抗ZS串联；当二极管全数截止时，等效为一个电流源IS和一个高阻抗ZP并联于是噪声源差模等效阻抗Zsource以2倍工频频次在上述两种状况切换。

在前述设想过程当中，EMI滤波器元件（电感、电容）均被看做现实的。然而因为实践元件存在寄生参数比方电容的寄生电感，电感间的寄生电容，以及PCB板布线存在的寄生参数实践的高频特点每每现实元件仿真有较大差别。这涉及到EMC高频建模等诸多题目模子的参数每每较难肯定以是，本文思量EMI滤波器的低频按捺特点。故ZS及ZP取值与这些寄生电容、电感以及整流桥等效电容等寄生参数无关间接接纳依据电路拓扑及参数建模计划求解源阻抗难以完成于是设想每每接纳实践丈量Zsource。

2.2实践设想步调

EMI滤波器设想每每请求完成按捺噪声的同时本身体积要尽大概本钱要尽大概昂贵。同时，滤波结果也取决于实践的噪声程度高下阐发共模和差模噪声滋扰权重，为此设想请求肯定如下参量完成设想的优化丈量滋扰源等效阻抗Zsource和电网等效阻抗实践过程当中往往是依托理论教训指示，先作出电源的PCB板，这是由于共模、差模的噪声源滋扰路子互不沟通，电路板渺小差别大概致使很大EME变迁。

2）测量出未加滤波器滋扰噪声频谱应用噪声分离器将共模噪声VMEASUREE,CM和差模噪声Vmeasure,CM分手，做出响应滋扰频谱。

接着就能举行实践设想了，仍以本文中提出的滤波器模子步调以下按照计较滤波器需求的共模、差模衰减，并做出曲线Vmeasure，CM－f和Vmeasure，DM－f此中Vmeasure，CM和Vmeasure，DM曾经测得，Vstandard，CM和Vstandard，DM可参照传导EMI滋扰国标设定加之3dB缘故原由在于乐音分离器的测量值实践值要大3dB。

(V_req,CM)dB=(V_measure,CM)－(V_standard,CM)＋3dB

(V_req,DM)dB=(V_measure,DM)－(V_standard,DM)＋3dB（9）

（2）由图3可知，斜率分别为40dB/dec和60dB/dec的两条斜线频次轴的交点即为fR,CM和fR，DM。作Vmeasure，CM－f和Vmeasure，DM－f的切线，切线斜率分别为40dB/dec和60dB/dec比拟可知只需丈量他们频次轴的交点，即可得出fR,CM和fR，DM，图6所示为其示意图。

（3）滤波器元件参数设想

——共模参数拔取 Cy接在相线和大地之间，该电容器容量过大将会造成泄电流过大，安全性下降。对漏电流请求越小越好平安规范平日为几百μA到几mA。

EMI对地漏电流Iy计较公式为

I_y=2πfCV_c（10）

式中：f为电网频次。

在本例中，Vc是电容Cy上的压降，f=50Hz，C=2Cy，Vc=220/2=110V，则

若设定对地漏电流为0.15mA，可求得Cy≈2200pF。将Cy代入步调（2）中求得fR,CM值，再将fR,CM代入式（6）中可得

——差模参数拔取 由式（8）可知，Cx1，Cx2，以及LD拔取没有仅有同意设计者必定的自由度。

由图2可知，共模电感Lc的漏感Lg也可抑制差模噪声偶然为了简化滤波器能够省去LD教训注解，漏感Lg量值多为Lc量值的0.5％～2％。Lg可实测取得。此时响应地Cx1、Ccx2值要更大。

3、结语

本文阐述是基于低通滤波器的低频模子阐发因为实践元件寄生参数的影响，尤其在高频段加倍显著于是每每需要在第一次肯定参数以后频频批改参数，以及应用低ESR和ESL的电容，优化绕制元器件数据手册、IC替代型号，打造电子元器件IC百科大全！