无源滤波器在开关电源设计中的应用陈小波

无源滤波器在开关电源设计中的应用陈小波

陈小波

(广东美的制冷设备有限公司广东佛山528305)

摘要：现在越来越多的应用在开关电源的电子设备,它具有效率高、重量轻、体积小,还发现,在应用的过程中高频开关电源很容易带来噪音、传导和辐射的作用下,高频开关电源,也对周围电磁环境污染造成的不利于周围的其他电子设备的操作。因此，开关电源的设计应充分考虑器件之间的电磁兼容性。电源产品的电磁兼容性已成为该产品的一个重要性能参数。

关键词：开关电源；无源滤波器；传导性电磁干扰

1无源滤波器的概述

无源滤波器是由电感、电容和电阻组成的抑制和衰减干扰信号沿线路传播的无源网络。电力线滤波器是一种低通元件，属于无源滤波器。它具有不同的抑制频率根据不同的标准。对于开关电源，电力线是电磁干扰进、出设备的主要通道。为了防止这两种情况，必须在设备的电源接口上安装无源滤波器。它只允许电源频率通过，电源频率以上的电磁干扰将大大减弱。

1.1无源滤波器的结构和原理。无源滤波器是一种无源网络，包括电子元件、电容和电感，其目的是抑制和衰减干扰信号在电路中的传播。电力线滤波器作为一种低通元件，隶属于无源滤波器，不同的电力线无源滤波器可以抑制不同的频率。在电源开关中，电磁干扰主要通过电源线向设备传输和传输。为了避免电磁干扰在设备中的传输和传输，在设备的电源接口应安装无源滤波器。只有工频才能通过无源滤波器，电磁干扰的频率高于工频，能在很大程度上衰减和抑制电磁干扰。无源滤波器可以解决导通问题，但原线路上的导通发射也会影响导线的辐射发射，所以为了降低设备的辐射发射，也可以采用无源滤波器。图1是无源滤波器的原理和结构图。

图1无源滤波器原理结构图

在零线与火线之间跨接差模滤波电容(CX)，对于差模电流，差模滤波电容可以起到旁路作用。此时取0.1-1lf为电容值。共模滤波器电容(CY)跨接在接地线和零线或消防线之间。对于共模电流，共模滤波器电容可以作为旁路。此时应注意共模滤波电容电容值的控制，一般不超过10000pF。这是由于相关的安全标准，对泄漏电流有一定的限制。共模扼流圈通常安装在通用滤波器中，其作用是通过漏电电感产生一定的差分模电感，从而抑制差分模电流。如有必要，可适当增加共模扼流圈的泄漏量，以增加差模电感。共模扼流圈的电感应根据所需的干扰频率确定。干扰频率越高，所需电感越小。共模扼流圈的电感低至1mH和高达几十种mH。解决低频的问题和开关电源电路,产生的高强度干扰衰减大于残雪应提供的差模衰减,这就需要使用差模扼流圈。

1.2无源滤波装置的选择。(1)选择无源滤波器电容。电容器的频率范围受材料的影响，因此应尽可能选用性能良好的高频电容器。目前常用的电容器类型主要有铝电解电容器、电解电容器、纸介电容器、聚酯树脂电容器、高介电陶瓷(单体)电容器、云母低损耗陶瓷玻璃电容器、聚苯乙烯聚丙烯电容器。其中,铝电解电容器、电解电容器属于低频电容器、纸介电容器、聚酯树脂电容和高介电陶瓷(单体)电容器属于中频电容器,高介电陶瓷(单体)电容器在中频和高频之间,云母低损耗陶瓷玻璃电容器和聚苯乙烯电容器属于高频电容器。

此外，还应选择残余电容较小的电容器，因为插入损耗会随着桥接电容CX的增加而增加。因此，在滤除差分模态噪声时，还应滤除通道旁通电容的高频噪声。此时，需要注意的是电容引线会对滤波效果产生一定的影响。电容器的频率与电容电抗成反比。因此，电容器应与地线和信号线并联，以绕过高频噪声。C和等效电感等效电感(ESL)共同组成了电容的谐振频率，电感值或电容值的增大会降低谐振频率，从而降低电容的高频滤波效果。因此电容的引线长度是电容器的重要参数，引线的长度与电感成正比，加长电容引线有利于降低电容的谐振频率，因此应该尽量选用以前较短的电容器。提高高频干扰旁路电容效应的基本方法有两种。一种方法是在安装电容器时尽量缩短电容器的引线。所述电容引线的长度还包括与所述电路板上的电容引线等效的轨长。另一种方法是选择合适的电容器类型，并尝试使用电感较小的电容器。目前使用最广泛的电容器是陶瓷电容器，适用于射频滤波，但单片电容陶瓷电容器并不是专业的干扰滤波器元件。但陶瓷电容器最重要的特点之一是具有良好的高频特性，且无引线。（2）选择电磁干扰抑制铁氧体。在开关电源，电磁兼容性设计中一般选择软磁材料作为磁性材料，要求软磁材料必须具有较高的饱和磁感应强度、电阻率和磁导率，具有狭窄的磁滞回线和较小的矫顽力。一般情况下在铁氧体上绕制共模扼流圈，从而获得较大的电感量，并且排除了磁心饱和的风险。在铁粉磁芯上绕制差模扼流圈，其具有较低的磁导率，但是不易出现饱和。还有一些情况下，为了避免磁心饱和，要在磁路开放的磁心上绕制差模扼流圈，这样可以使磁芯中的磁通密度减小，尽量避免磁心饱和的现象。作为高效的磁场接收器件，电感会收集周围的干扰，形成新的干扰，因此必须采取相应的屏蔽措施。共模滤波是最常用的电磁兼容，这是由于大部分电磁干扰都是从空间向线缆上耦合的。但是共模滤波会形成共模电压干扰电压，必须对干扰电压低频噪声进行滤除，对于低频段传导干扰的抑制作用会随着电感值的增大而增大。

1.3无源滤波器的电路设置。将反激式开关电源传导干扰模型中的开关源等效作为一个负载RL，把开关电源输入端等，正负端接地电阻并入RS，电源输入端加入的无源滤波器原理图，电源输入端加入的滤波器开关电源电路图。对差模噪声的抑制主要通过Cd、Ld来完成，选择具有良好的M-F特性以及不容易饱和的铁芯材料来作为Ld的铁芯。使用聚酯薄膜电容或陶瓷电容心作为Cd，保障其具有一定的耐压值。共模噪声的抑制主要通过Cc和Lc来完成，可以以实际噪声源的特征为依据对参数进行相应的调整。

2无源滤波器在开关电源中的具体运用

在轨道交通的空调开关电源电路中，可以用无源滤波器，并取得较好的应用效果，对轨道交通空调开关电源中的电磁干扰进行有效地滤除，具体应用方式如下。在车用牵引逆变器的IPM驱动电源电路中应用无源滤波器，将单端反激式电流控制型的UC2843驱动芯片安装于IPM驱动电源电路之中，并使用断续式的电流工作模式，具有良好的过流保护功能和输出稳压。将无源滤波器加入开关电源的输入端，选择的无源滤波器的参数为Cc：0.047μF，Lc：10mH、Cd:0.1μF、Ld：0.1mH。，将输出端滤波器放置在次级电源中，能够对输出端的差模干扰进行有效抑制，其中Cd2:1μF、Lc2:0.1mH。6.13μs为干扰信号的周期，与之相对应的IPM开关频率应该是16.3kHz，滤波器输入端的电压用Vin表示，其波形为曲线W1，干扰电压的幅值约为2V。滤波器输出端的电压用Vo表示，其波形为曲线W2，此时干扰信号的幅值为0.2V左右。由于无源滤波器具有双向性的特点，能够对IPM开关反馈的干扰信号和输入电源的干扰信号进行同时滤出，因此开关电源的电磁干扰能够得到有效地抑制和削减，具有良好的应用效果。

总之，通过对开关电源传导电磁干扰机理的分析，认为采用无源滤波技术可以降低开关电源的传导干扰。利用无源滤波器的特点，可以提高无源滤波器的应用效果。

参考文献：

[1]汪强生.浅谈无源滤波器在开关电源设计中的应用.2017.

[2]康军彬.李玉华，开关电源系统稳定性补偿电路的设计.2017.