開關電源EMI噪聲

電源工程師在設計開關電源過程中。輸入端存在兩種EMI噪聲：共模噪聲和差模噪聲。電磁干擾信號示意圖如圖所示。把在交流輸入引線與地之間存在的EMI噪聲稱為共模噪聲，它可看作在交流輸入線上傳輸的電位相等、相位相同的干擾信號，即圖4-1中的電壓U1和U2。而把交流輸入引線之間存在的EMI噪聲稱為差模噪聲，它可看作在交流輸入線傳輸的相位差180°的干擾信號，即圖4-1中的電壓U3。

共模噪聲是從交流輸入線流入大地的干擾電流，差模噪聲是在交流輸入線之間流動的干擾電流。對任何開關電源輸入線上的傳導EMI噪聲，都可以用共模和差模噪聲來表示，并且可把這兩種EMI噪聲看作獨立的EMI源分別抑制。

220V/50Hz交流電網或115V/400Hz交流發電機都存在各式各樣的開關電源噪聲，開關電源線是EMI傳入設備和傳出設備的主要途徑。在AC開關電源線上疊加了各種各樣的噪聲，按照電壓和上升時間可分為三類，如圖所示。



（1）高頻噪聲

高頻噪聲主要是計算機和開關電源等開關頻率的諧波成分，一般所說的EMI噪聲即為此噪聲，一般的噪聲濾波器都可用于高頻噪聲。高頻噪聲的電壓水平較低，在數毫伏到數十毫伏之間。

（2）脈沖噪聲

脈沖噪聲主要是繼電器和電動機等工作時產生的噪聲，脈沖噪聲的電壓較高，峰值電壓有時可以達到數千伏。與高頻噪聲相比能量較大，由于脈沖噪聲可能引起濾波器的磁芯飽和，一般采用非晶磁芯等飽和磁通密度較高的磁性材料。

（3）浪涌噪聲

浪涌噪聲主要是雷電等在開關電源線產生的噪聲，由于浪涌噪聲電壓高、電流大，其能量也非常大，有時峰值電壓可以達到數十千伏。由于浪涌噪聲能量水平非常高，因此需采用避雷器和壓敏電阻等浪涌對策元器件。

通過開關電源線，電網上的干擾可以傳入開關電源，干擾開關電源的正常工作。同樣，開關電源的干擾也可以通過開關電源線傳到電網上，對電網上的其他用電設備造成干擾。為了防止這兩種情況的發生，必須在開關電源入口處安裝一個低通濾波器，這個濾波器只容許設備的工作頻率（50Hz、60Hz、400Hz）通過，而對較高頻率的干擾有很大的損耗，由于這個濾波器專門用于開關電源上，所以稱為開關電源輸入濾波器。

開關電源濾波器對差模干擾和共模干擾都有抑制作用，但由于電路結構不同，對差模干擾和共模干擾的抑制效果不一樣，所以在濾波器的技術指標中有差模插入損耗和共模插入損耗之分。除了特別說明允許不接地的濾波器外，所有開關電源濾波器都必須接地，因為濾波器中的共模旁路電容只有在接地時才起作用。

開關電源本身也是一種EMI源，開關電源在功率變換時處于開關狀態，本身就是很強的EMI噪聲源，其產生的EMI噪聲既有很寬的頻率范圍，又有很高的強度。這些EMI噪聲也同樣通過輻射和傳導的方式污染電磁環境，從而影響其他電子設備的正常工作。

對于開關電源來說，其內部除了功率變換電路以外，還有驅動電路、控制電路、保護電路、輸入／輸出電平檢測電路等，這些電路主要是由通用或專用集成電路構成的。當EMI噪聲影響到模擬電路時，會使信號傳輸的信噪比變壞，嚴重時會使要傳輸的信號被EMI噪聲所淹沒，而使開關電源無法正常工作。當EMI噪聲影響到數字電路時，會引起邏輯關系出錯，導致錯誤的結果。當電子設備開關電源受EMI干擾而發生誤動作時，會使開關電源停止工作，導致電子設備無法正常工作。采用開關電源噪聲濾波器可有效地防止開關電源因外來電磁噪聲干擾而產生誤動作。

從開關電源輸入端導入的EMI噪聲，其一部分可出現在開關電源的輸出端，它在開關電源的負載電路中會產生感應電壓，成為電路產生誤動作或干擾電路中傳輸信號的原因。這些問題同樣也可用噪聲濾波器來加以防止。開關電源濾波器的作用有：

①防止外來電磁噪聲干擾開關電源設備本身控制電路的工作。

②防止外來電磁噪聲干擾開關電源負載的工作。

③抑制開關電源設備本身產生的EMI。

④抑制由其他設備產生而經過開關電源傳播的EMI。

開關電源濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印制板上安裝電感線圈、電容器等，構成抑制噪聲濾波器。應用中選擇哪種形式的開關電源濾波器要根據成本、特性、安裝空間等來確定。一體化式成本高，特性較好，安裝靈活；分立式成本較低，但*不好，可自由分配在印制板上。

2.開關電源EMI濾波器的結構及工作原理

開關電源濾波器是一個低通元器件，根據不同國標，它具有不同的抑制頻率。開關電源濾波器通常單個使用；若需要有更高性能指標，也可級聯使用，級聯使用可加大干擾信號的衰減幅度，拓展抑制干擾信號的頻率范圍。兩個濾波器級聯常制作在一個殼體中，是一種非常實用的形式：它既能提高性能又縮小體積，降低成本。更多濾波器級聯由于性能改善增大不多，且容易影響電路穩定性，很少使用。濾波器通?？煞譃閱蜗嘟涣?、三相交流、直流濾波器。交流濾波器一般用于開關電源入口處，而直流濾波器用于開關電源出口處（DC輸入／輸出）。

開關電源濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路，它允許有用信號的電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。開關電源濾波器的工作原理是在射頻電磁波的傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續，將射頻電磁波中的大部分能量反射回源處。

濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關電源EMI信號的傳導干擾和輻射干擾。任何開關電源線上的傳導干擾信號均可用差模和共模信號來表示。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低，所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導干擾，把EMI信號控制在有關EMC標準規定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。開關電源的工作頻率為10～100kHz。EMC很多標準規定的傳導干擾電平的極限值都是從10kHz算起的。對開關電源產生的高頻段EMI信號，只要選擇適當的去耦電路或網絡結構較為簡單的EMI濾波器，就可得到滿意的效果。

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，既能抑制從交流開關電源線上引入的外部電磁干擾，還可以避免設備本身向外部發出噪聲干擾。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（閉磁路）的上下兩個半環上，分別繞制匝數相同但繞向相反的線圈。兩個線圈的磁通方向一致，共模干擾出現時，總電感迅速增大產生很大的感抗，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。

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