开关电源滤波电路的优化设计

欧海飞

摘 要：随着科技的发展，人们在日常生活中使用的电器越来越多，电子设备的电磁兼容性（EMC）也越来越重要。所以，人们对电子设备的电磁兼容性的要求也越来越严格，越来越规范。而在市场竞争中，如何降低成本、减少设备体积，是各电子设备制造厂家重点研究的课题。通过对开关电源的EMI滤波电路的类别和相应的技术特点进行分析，设计出一种既能提高性能，又能降低成本的滤波电路。

关键词：开关电源；EMC；滤波电路；低成本

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0033-02

1 EMC的意义

电子设备或系统的电磁兼容性（EMC，即Electro Magnetic Compatibility）主要包括两部分：

EMI：电子设备或系统不能对所在环境中的任何事物产生其不能承受的电磁干扰。

EMS：电子设备或系统承受外部环境对其干扰的能力，使其在电磁环境中能正常工作。

由于日常生活中电子应用产品数量的增加，电子模块的密度也在增加，因此，从长远的角度看，电磁环境噪声在给定的空间内是增长的，如图1中曲线1所示。当电子设备的抗干扰性高于电磁环境噪声任何点时，电子设备的功能不受影响，但遗憾的是，现在电子系统大部分都具有较高的工作频率和较低的电平开关门限（较低的工作电源），抗噪声的能力在逐渐下降，如图1中曲线2所示。

由图1明显可以看出，当到达环境噪声强度P点的时候，整个电子市场将濒临瓦解。因此，电子市场采取措施来改善电子系统的电磁兼容（EMC）是必要的，这样才能使P点落到无穷的时间线上。

2 改善开关电源滤波电路的重要性

开关电源由于其体积、重量、功率密度和效率等方面的诸多优点，已经被广泛应用于各个领域的电子设备或系统中。由于开关电源应用于交流电网中，整流电路往往会导致输入的电流断断续续，这除了大大降低了输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关控制的是高速开关动作，这样就形成了EMI骚扰源。因此，解决开关电源的EMI问题对改善人们生活的电磁环境有着重要的意义。在开关电源中存在的主要干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰会注入电网，干扰接入电网的其他设备。

减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地方式，避免形成环形地线，尽可能减少公共阻抗，设计合理的缓冲电路，减少电路杂散电容等。本文主要的研究课题是优化EMI滤波器，衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。

开关电源主要的EMI干扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt，所以，电磁发射一般是宽带的噪声信号，频率范围是从开关工作频率到几兆赫。因此，传导型电磁环境的测量，很多国际和国家标准所规定的频率范围在0.15～30 MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率、高次谐波的噪声进行衰减。基于上述标准，在通常情况下，只要考虑将高于150 kHz的EME衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域，普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。

3 传统开关电源滤波电路分析

EMI电源滤波器一般是由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频（50～400 Hz）信号通过，对频率较高的信号有较大的衰减作用。根据抑制干扰的程度，EMI电源滤波器一般分为普通性能和高性能两种滤波器。图2、图3给出单环和双环电源滤波器的电路设计基本模型，前者为普通性能电路，后者为高性能电路。当需要加强滤波器某方面的功能时，一般以图2、图3 为基础，在此基础上作调整。

针对传统的滤波电路，图2这种单级共模滤波电路对噪声的抑制能力进行分析。对图2滤波电路对电源L相的共模电压干扰和共模电流干扰的能力进行分析，在正常情况下，电感L1两绕组匝数相同，绕在同一个磁环上，电感量是相等的。

4 传统滤波电路改进的方法和理论分析

在以上介绍的传统滤波电路的基础上，本文提出了一种在不改变磁环大小和特性、不改变绕组线径和匝数的前提下，滤波电感增加一个跨等电势面的绕组。该绕组跨接在两个不同的等电势面之间，从而减少了内部共模干扰源直接通过回流路径传导到端口的分量。这样对共模干扰的滤波能力可以从一级变为两级，且对于两相的共模干扰的影响也是一致的，从而大大提高了对共模干扰的滤波能力。具体情况如图4所示。

如图4所示，在滤波电感L1的剩余空间里增加绕跨电势面的绕组L1E，该绕组跨接在第一等势面E1和第二等势面E2之间。第一级滤波电容C5、C6分别连接在滤波电路的一个输入线与第一等势面E1之间，第二级滤波电容C7、C8分别连接在一个输入线与第二个等势面E2之间。跨电势面绕组L1E与第一原绕组L1A、第二原绕组的同名端之间分别接有共模滤波电容C1、C2，形成两级共模滤波电路。图4的等效电路图可化简为图5.

5 改进后的滤波电路效果测试和结论

从实验数据对比可以看出，在500 kHz以下的频段改进前后的效果差异不大，而在500 kHz以上的频段，对共模电压型噪声的抑制，改进后的能力是改进前的2.8×107～1.67×107倍；对共模电流型噪声的抑制，改进后的能力是改进前的1.4×107～1.67×107倍。由此可见，改进后的滤波器对中高频噪声的抑制能力大大提高。另外，如果跨等电势面的绕组由一个变为多个，模滤波的级数也会相应增加，滤波能力也会增强。因此，在同等的对噪声抑制能力的要求下，改进后的滤波电路的电容容量和电感的电感量可减小，这也就意味着总体的体积在减小，成本也在相应下降。

〔编辑：白洁〕

Abstract： With the development of technology， appliances people use in their daily lives， more and more electronic devices electromagnetic compatibility（EMC）has become increasingly important. So， people electromagnetic compatibility requirements of electronic devices have become increasingly stringent， more and more standardized. The competition in the market， how to reduce costs， reduce equipment size， is the subject of the electronic equipment manufacturer focused on research. Through the technical characteristics of the respective category and the EMI filter circuit switching power supply is analyzed both designed to improve a performance of the filter circuit can reduce the cost.

Key words： switching power supply； EMC； filtering circuit； low cost

摘 要：随着科技的发展，人们在日常生活中使用的电器越来越多，电子设备的电磁兼容性（EMC）也越来越重要。所以，人们对电子设备的电磁兼容性的要求也越来越严格，越来越规范。而在市场竞争中，如何降低成本、减少设备体积，是各电子设备制造厂家重点研究的课题。通过对开关电源的EMI滤波电路的类别和相应的技术特点进行分析，设计出一种既能提高性能，又能降低成本的滤波电路。

关键词：开关电源；EMC；滤波电路；低成本

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0033-02

1 EMC的意义

电子设备或系统的电磁兼容性（EMC，即Electro Magnetic Compatibility）主要包括两部分：

EMI：电子设备或系统不能对所在环境中的任何事物产生其不能承受的电磁干扰。

EMS：电子设备或系统承受外部环境对其干扰的能力，使其在电磁环境中能正常工作。

由于日常生活中电子应用产品数量的增加，电子模块的密度也在增加，因此，从长远的角度看，电磁环境噪声在给定的空间内是增长的，如图1中曲线1所示。当电子设备的抗干扰性高于电磁环境噪声任何点时，电子设备的功能不受影响，但遗憾的是，现在电子系统大部分都具有较高的工作频率和较低的电平开关门限（较低的工作电源），抗噪声的能力在逐渐下降，如图1中曲线2所示。

由图1明显可以看出，当到达环境噪声强度P点的时候，整个电子市场将濒临瓦解。因此，电子市场采取措施来改善电子系统的电磁兼容（EMC）是必要的，这样才能使P点落到无穷的时间线上。

2 改善开关电源滤波电路的重要性

开关电源由于其体积、重量、功率密度和效率等方面的诸多优点，已经被广泛应用于各个领域的电子设备或系统中。由于开关电源应用于交流电网中，整流电路往往会导致输入的电流断断续续，这除了大大降低了输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关控制的是高速开关动作，这样就形成了EMI骚扰源。因此，解决开关电源的EMI问题对改善人们生活的电磁环境有着重要的意义。在开关电源中存在的主要干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰会注入电网，干扰接入电网的其他设备。

减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地方式，避免形成环形地线，尽可能减少公共阻抗，设计合理的缓冲电路，减少电路杂散电容等。本文主要的研究课题是优化EMI滤波器，衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。

开关电源主要的EMI干扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt，所以，电磁发射一般是宽带的噪声信号，频率范围是从开关工作频率到几兆赫。因此，传导型电磁环境的测量，很多国际和国家标准所规定的频率范围在0.15～30 MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率、高次谐波的噪声进行衰减。基于上述标准，在通常情况下，只要考虑将高于150 kHz的EME衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域，普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。

3 传统开关电源滤波电路分析

EMI电源滤波器一般是由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频（50～400 Hz）信号通过，对频率较高的信号有较大的衰减作用。根据抑制干扰的程度，EMI电源滤波器一般分为普通性能和高性能两种滤波器。图2、图3给出单环和双环电源滤波器的电路设计基本模型，前者为普通性能电路，后者为高性能电路。当需要加强滤波器某方面的功能时，一般以图2、图3 为基础，在此基础上作调整。

针对传统的滤波电路，图2这种单级共模滤波电路对噪声的抑制能力进行分析。对图2滤波电路对电源L相的共模电压干扰和共模电流干扰的能力进行分析，在正常情况下，电感L1两绕组匝数相同，绕在同一个磁环上，电感量是相等的。

4 传统滤波电路改进的方法和理论分析

在以上介绍的传统滤波电路的基础上，本文提出了一种在不改变磁环大小和特性、不改变绕组线径和匝数的前提下，滤波电感增加一个跨等电势面的绕组。该绕组跨接在两个不同的等电势面之间，从而减少了内部共模干扰源直接通过回流路径传导到端口的分量。这样对共模干扰的滤波能力可以从一级变为两级，且对于两相的共模干扰的影响也是一致的，从而大大提高了对共模干扰的滤波能力。具体情况如图4所示。

如图4所示，在滤波电感L1的剩余空间里增加绕跨电势面的绕组L1E，该绕组跨接在第一等势面E1和第二等势面E2之间。第一级滤波电容C5、C6分别连接在滤波电路的一个输入线与第一等势面E1之间，第二级滤波电容C7、C8分别连接在一个输入线与第二个等势面E2之间。跨电势面绕组L1E与第一原绕组L1A、第二原绕组的同名端之间分别接有共模滤波电容C1、C2，形成两级共模滤波电路。图4的等效电路图可化简为图5.

5 改进后的滤波电路效果测试和结论

从实验数据对比可以看出，在500 kHz以下的频段改进前后的效果差异不大，而在500 kHz以上的频段，对共模电压型噪声的抑制，改进后的能力是改进前的2.8×107～1.67×107倍；对共模电流型噪声的抑制，改进后的能力是改进前的1.4×107～1.67×107倍。由此可见，改进后的滤波器对中高频噪声的抑制能力大大提高。另外，如果跨等电势面的绕组由一个变为多个，模滤波的级数也会相应增加，滤波能力也会增强。因此，在同等的对噪声抑制能力的要求下，改进后的滤波电路的电容容量和电感的电感量可减小，这也就意味着总体的体积在减小，成本也在相应下降。

〔编辑：白洁〕

Abstract： With the development of technology， appliances people use in their daily lives， more and more electronic devices electromagnetic compatibility（EMC）has become increasingly important. So， people electromagnetic compatibility requirements of electronic devices have become increasingly stringent， more and more standardized. The competition in the market， how to reduce costs， reduce equipment size， is the subject of the electronic equipment manufacturer focused on research. Through the technical characteristics of the respective category and the EMI filter circuit switching power supply is analyzed both designed to improve a performance of the filter circuit can reduce the cost.

Key words： switching power supply； EMC； filtering circuit； low cost

摘 要：随着科技的发展，人们在日常生活中使用的电器越来越多，电子设备的电磁兼容性（EMC）也越来越重要。所以，人们对电子设备的电磁兼容性的要求也越来越严格，越来越规范。而在市场竞争中，如何降低成本、减少设备体积，是各电子设备制造厂家重点研究的课题。通过对开关电源的EMI滤波电路的类别和相应的技术特点进行分析，设计出一种既能提高性能，又能降低成本的滤波电路。

关键词：开关电源；EMC；滤波电路；低成本

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0033-02

1 EMC的意义

电子设备或系统的电磁兼容性（EMC，即Electro Magnetic Compatibility）主要包括两部分：

EMI：电子设备或系统不能对所在环境中的任何事物产生其不能承受的电磁干扰。

EMS：电子设备或系统承受外部环境对其干扰的能力，使其在电磁环境中能正常工作。

由于日常生活中电子应用产品数量的增加，电子模块的密度也在增加，因此，从长远的角度看，电磁环境噪声在给定的空间内是增长的，如图1中曲线1所示。当电子设备的抗干扰性高于电磁环境噪声任何点时，电子设备的功能不受影响，但遗憾的是，现在电子系统大部分都具有较高的工作频率和较低的电平开关门限（较低的工作电源），抗噪声的能力在逐渐下降，如图1中曲线2所示。

由图1明显可以看出，当到达环境噪声强度P点的时候，整个电子市场将濒临瓦解。因此，电子市场采取措施来改善电子系统的电磁兼容（EMC）是必要的，这样才能使P点落到无穷的时间线上。

2 改善开关电源滤波电路的重要性

开关电源由于其体积、重量、功率密度和效率等方面的诸多优点，已经被广泛应用于各个领域的电子设备或系统中。由于开关电源应用于交流电网中，整流电路往往会导致输入的电流断断续续，这除了大大降低了输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关控制的是高速开关动作，这样就形成了EMI骚扰源。因此，解决开关电源的EMI问题对改善人们生活的电磁环境有着重要的意义。在开关电源中存在的主要干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰会注入电网，干扰接入电网的其他设备。

减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地方式，避免形成环形地线，尽可能减少公共阻抗，设计合理的缓冲电路，减少电路杂散电容等。本文主要的研究课题是优化EMI滤波器，衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。

开关电源主要的EMI干扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt，所以，电磁发射一般是宽带的噪声信号，频率范围是从开关工作频率到几兆赫。因此，传导型电磁环境的测量，很多国际和国家标准所规定的频率范围在0.15～30 MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率、高次谐波的噪声进行衰减。基于上述标准，在通常情况下，只要考虑将高于150 kHz的EME衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域，普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。

3 传统开关电源滤波电路分析

EMI电源滤波器一般是由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频（50～400 Hz）信号通过，对频率较高的信号有较大的衰减作用。根据抑制干扰的程度，EMI电源滤波器一般分为普通性能和高性能两种滤波器。图2、图3给出单环和双环电源滤波器的电路设计基本模型，前者为普通性能电路，后者为高性能电路。当需要加强滤波器某方面的功能时，一般以图2、图3 为基础，在此基础上作调整。

针对传统的滤波电路，图2这种单级共模滤波电路对噪声的抑制能力进行分析。对图2滤波电路对电源L相的共模电压干扰和共模电流干扰的能力进行分析，在正常情况下，电感L1两绕组匝数相同，绕在同一个磁环上，电感量是相等的。

4 传统滤波电路改进的方法和理论分析

在以上介绍的传统滤波电路的基础上，本文提出了一种在不改变磁环大小和特性、不改变绕组线径和匝数的前提下，滤波电感增加一个跨等电势面的绕组。该绕组跨接在两个不同的等电势面之间，从而减少了内部共模干扰源直接通过回流路径传导到端口的分量。这样对共模干扰的滤波能力可以从一级变为两级，且对于两相的共模干扰的影响也是一致的，从而大大提高了对共模干扰的滤波能力。具体情况如图4所示。

如图4所示，在滤波电感L1的剩余空间里增加绕跨电势面的绕组L1E，该绕组跨接在第一等势面E1和第二等势面E2之间。第一级滤波电容C5、C6分别连接在滤波电路的一个输入线与第一等势面E1之间，第二级滤波电容C7、C8分别连接在一个输入线与第二个等势面E2之间。跨电势面绕组L1E与第一原绕组L1A、第二原绕组的同名端之间分别接有共模滤波电容C1、C2，形成两级共模滤波电路。图4的等效电路图可化简为图5.

5 改进后的滤波电路效果测试和结论

从实验数据对比可以看出，在500 kHz以下的频段改进前后的效果差异不大，而在500 kHz以上的频段，对共模电压型噪声的抑制，改进后的能力是改进前的2.8×107～1.67×107倍；对共模电流型噪声的抑制，改进后的能力是改进前的1.4×107～1.67×107倍。由此可见，改进后的滤波器对中高频噪声的抑制能力大大提高。另外，如果跨等电势面的绕组由一个变为多个，模滤波的级数也会相应增加，滤波能力也会增强。因此，在同等的对噪声抑制能力的要求下，改进后的滤波电路的电容容量和电感的电感量可减小，这也就意味着总体的体积在减小，成本也在相应下降。

〔编辑：白洁〕

Abstract： With the development of technology， appliances people use in their daily lives， more and more electronic devices electromagnetic compatibility（EMC）has become increasingly important. So， people electromagnetic compatibility requirements of electronic devices have become increasingly stringent， more and more standardized. The competition in the market， how to reduce costs， reduce equipment size， is the subject of the electronic equipment manufacturer focused on research. Through the technical characteristics of the respective category and the EMI filter circuit switching power supply is analyzed both designed to improve a performance of the filter circuit can reduce the cost.

Key words： switching power supply； EMC； filtering circuit； low cost