利用滤波器有效抑制开关电源电磁干扰问题的探讨

 引言

开关电源广泛应用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域，具有功耗低、效率高、体积小等显著优点，是目前最普遍应用于电子设备中的一种电源装置。

开关电源的突出缺点是产生极强的电磁干扰（EMI）。EMI信号经传导和辐射会污染电磁环境，影响电网和发电系统的工作效率，干扰通信设备和电子产品，是公认的电力公害。

本文将结合开关电源产生EMI的原理，提供滤波抑制的具体方法，帮助大家有效解决电磁干扰问题。

开关电源的基本工作原理

开关电源主要通过整流器与电力网相连接，将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过逆变器转换成低压的高频交流电，再经过二次整流和滤波变成所需要的直流低电压。如图1所示。

图1 开关电源的结构框图

开关电源产生EMI的原理

开关电源产生EMI的原因较多，其中由基波整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。

基波整流器的整流过程是产生电流谐波的常见原因

一次整流回路的谐波干扰

工频正弦波电流通过全波整流电路的整流二极管后变成单向脉冲电流，此电流可分解为直流分量和一系列不同频率的交流分量之和。利用傅立叶变换得：

其中Im是正弦电流的峰值

实验表明，谐波（特别是高频谐波）会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使其前端电源波形发生畸变，另一方面通过电源线产生辐射干扰。

二次整流电路的谐波干扰

整流二极管在正向导通时，PN结的电荷被积累。因为二极管工作在高频通断状态，当二极管加反向电压时，积累的电荷不能立即消失，从而产生反向浪涌电流。由于线路存在分布电容、电感，高频浪涌电流流过时产生高频振荡，因此这些骚扰频谱丰富。

变压器电路产生的谐波

变压器型功率转换电路用以实现变压、变频以及完成输出电压调整，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它生产的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频率较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：

1. 开关管的负载是高频变压器的初级线圈，是感性负载。当开关管导通时，级线圈中会产生很大的尖峰脉冲电压，形成干扰。

2. 当开关管关断时，高频变压器线圈中产生电动势e=-Ldi/dt，存储在电感中的能量和集电极的电阻、电容形成阻尼振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。该谐波电压通过电线不仅会影响变压器的初级线圈，还会返回配电系统，造成电网谐波干扰。

3. 由高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流回路可能产生较大的辐射干扰。同时，若滤波电容的滤波不足或高频特性不好，则高频电流通过一次整流回路以差模干扰的方式进入电网。谐波引发的问题很多，会引起变压器的损耗增加，造成电容器的过载故障，引起电力系统功率因数降低等，危害很大。

抑制开关电源EMI的滤波措施

干扰信号从电源输入端注入到公共电网，形成传导骚扰。传导干扰信号，可分为差模和共模两种形式。

差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。

差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。

基本滤波技术

滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源EMI信号的传导干扰和辐射干扰。

削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关电磁兼容性（EMC）标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在电源输入端加抗干扰（EMI）滤波器。EMI滤波器安装在电源线和开关电源之间。它仅允许工频电流通过，对提高开关电源的可靠性有重要作用。

常用的电源滤波器如图2所示。

图2 EMI基本滤波电路

图中滤波电容C1、C2、C3、C4与电感L1、L2组成共模л型滤波环节，用来滤除共模干扰。C0、C5是高频旁路电容，与电感L1、L2组成差模л型滤波环节，用来滤除差模干扰。

EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。开关电源的工作频率约为10kHz~100kHz。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就可以得到满意效果。

此外，在滤波电路中，还可以采用其他专用的滤波元件，如穿心电容、铁氧化磁环等，它们能够改善滤波特性，恰当的设计或选择滤波器，并正确的安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。

特种滤波器件

特种滤波器中的馈通型滤波器（如图3）及其延伸产品滤波阵列板和滤波连接器可有效解决高频滤波的问题。滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属