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摘要：现在电子设备中越来越多的应用到了开关电源，其具有效率高、自重轻、体积小的优点，但是在应用的过程中也发现，开关电源的高频化容易带来噪声，而且在传导和辐射的作用下，开关电源的高频化还会对周围的电磁环境造成污染，不利于周围其他电子设备的运行。
关键词：开关电源;电磁干扰;无源滤波器；
1 无源滤波器
无源滤波器是由电感、电容、电阻元件组成的无源网络,以抑制并衰减干扰信号沿线路的传播。电源线滤波器是一个低通元件,属于无源滤波器的一种;根据不同标准,它具有不同的抑制频率。对于开关电源来说,电源线是电磁干扰传入、传出设备的主要途径。为防止这两种情况的发生,必须在设备的电源接口安装无源滤波器。它只允许电源频率通过,而对高于电源频率的电磁干扰将进行很大的衰减。无源滤波器的直接作用是解决传导发射。但由于电源线上的传导发射会导致导线的辐射发射,因此无源滤波器对减小设备的辐射发射也十分重要。开关电源中应用的无源滤波器的原理结构如图1所示。其中:差模滤波电容(C X)跨接在火线和零线之间,对差模电流起旁路作用;其电容取值为0.1~1LF。共模滤波电容(CY)跨接在火线或零线与机壳地之间,对共模电流起旁路作用;其电容值不能过大,否则会超过安全标准中对漏电电流(3.5 m A)的限制要求,一般取值在10 000 p F以下。在普通的滤波器中,往往仅安装一个共模扼流圈,利用其漏电感产生适量的差模电感,起到对差模电流的抑制作用。有时,设计者可人为地增加共模扼流圈的漏电感,提高差模电感量。共模扼流圈的电感量范围为一到数十m H,具体取决于要滤除的干扰频率(频率越低,需要的电感量越大)。如果滤波器用于解决开关电源电路产生的低频高强度干扰问题,则通常需要比CX所能提供的差模衰减更大的衰减,这时采用如图1所示的差模扼流圈。由于磁心会发生饱和现象,所以很难以较小的体积获得较大的电感量,故这些滤波器一般体积较大且比较昂贵。
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图1开关电源上使用的典型滤波器
2 无源滤波器的器件选择
（1）选择无源滤波器的电容器。电容器的频率范围会受到其材料的影响，应该尽量选择频率高、特性好的电容器。当前常见的电容类型主要有铝电解电容、电解电容、纸介电容、聚酯树脂电容、高介陶瓷（独石）电容、云母低损陶瓷玻璃电容、聚苯乙烯聚丙乙烯电容。其中铝电解电容和电解电容属于低频电容，纸介电容、聚酯树脂电容、高介陶瓷（独石）电容为中频电容，高介陶瓷（独石）电容介于中频和高频之间，云母低损陶瓷玻璃电容、聚苯乙烯聚丙乙烯电容属于高频电容。（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。
3 开关电源的传导性电磁干扰
可以将开关电源的传导性干扰分为两个类别，分别为共模干扰、差模干扰，开关管的关断和开通期间产生的干扰为共模干扰，其是一种非对称性噪声，叠加在电源的正负之间。开关管关断与开通期间还会产生差模干扰，差模干扰是对称性噪声，叠加在电源的正负之间。为了使开关电源的电磁干扰得到有效遏制，当前使用的主要方法是噪声源平衡技术、调频——非恒频的PWM技术等。通过具有互异性能的无源滤波器，能够对电源传入开关电源的干扰进行有效抑制，同时也能够对开关电源反向传输电源的干扰进行有效抑制，因此将滤波器加入电源的输入端是一种对传导性干扰进行抑制的有效方法。图2为传导性干扰模型，反映了典型的反激式开关的传导性干扰问题。
图2传导性干扰模型
图2中的VT为开关管，在关断和开通开关管的过程中，就会产生i（差模干扰电流），差模干扰电流会从d输入电源Vs中流过，并且受到电源内阻Zs的阻碍，产生传导性差模干扰电压，主要作用于电源的两端，用u d表示。屏蔽地和散热器是直接连接的，屏蔽体与铁氧体通常也是连接的，铁氧体和变压器之间的分布电容、散热器和开关管底板之间的分布电容与屏蔽地之间的分布电容Cb和A点有关。A点对地之间的电压差会随着VT的开关状态变化而变化，该电压差用u A表示，在u A变化的过程中，Cb上会出现位移电流，用ic1和ic2表示。位移电流会通过负端电源线和正端电源线，然后受到负端接地电阻和正端接地电阻的影响，从而产生共模传导性干扰电压，用u1和u2表示。为了使id、ic1、ic2的影响减小，就必须使开关电源传导性电磁干扰减小。id可以通过Cd2、Cd1、L d获得低阻抗通路，从而使id中流过的电源减小，达到使u d减小的目的。降低共模干扰电路图中，降低共模干扰主要是通过虚线框内的Cc2、Cc1、Lc2、Lc1组成的电路来完成的。共模电流的低阻抗通路主要是通过Cc2、Cc1提供的，达到了使u1、u2减少的目的。共模回路是屏蔽地和电源线共同构成的，通过Lc2、Lc1能够使回路的阻抗增大，此时的共模电感Lc2、Lc1流过ic1时，就会出现方向相反、大小相等的电动势，两个电动势的相互抵销，会有效地减小共模电流ic1。
4 无源滤波器在开关电源中的具体应用
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，本文选择的无源滤波器的参数为Cc：0.047μF，L c：10mH、Cd:0.1μF、L d：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、Lc2:0.1 m H。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V in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V o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。
在现代电子设备中，开关电源的应用越来越广泛，而开关电源高频化带来的大量噪声，也对开关电源的应用造成了不利的影响。当前各国都对电器产品的电磁兼容提出了一定的标准和规定，将电源产品的电磁兼容指标作为其重要的性能参数。
参考文献：
[1] 孙军彬.开关电源系统设计.2016.
[2]张英.开关电源系统稳定性补偿电路的设计.2017.
论文作者:方威
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：无源论文; 滤波器论文; 开关电源论文; 干扰论文; 电容论文; 传导性论文; 电源论文; 《电力设备》2018年第21期论文;