基于合成扼流圈的开关电源EMI滤波器设计-电源网

由于功率开关管的高速开关动作，开关电源会产生较强的电磁干扰(EM I)信号。为了抑制开关电源对外电磁噪声和外界对内电磁干扰，使得产品能够满足相关EM C标准，有必要在开关电源输入线上添加额外的EMI滤波器。尤其对于车用DC/ DC变换器的控制器来说，周围电磁环境相当恶劣，所应遵循的整车及零部件EMC标准也很严格，因此必须在控制器电源输入线上添加EMI滤波器，使其满足相关EMC标准。

传统的 EMI滤波器一般由共模电感、差模电感和电容等分立元件组成，元件数量多，体积大。分立元件较长的引线造成的分布电感和分布电容对滤波特性有很大的影响。而共差模合成扼流圈利用两个不同特性的磁芯将共模电感和差模电感集成在一起，替代分立的共模电感与差模电感，可以使滤波器尺寸和性能上得到进一步的改善。

1 合成扼流圈

1.1传统扼流圈

共模电感本质上是一种匝数比为i: i的变压器，只是接入回路的方式不同。图i为共模电感的电路符号图与结构图，绕组方向以及磁场强度的方向如图i所示。

加，由L =u/iI可知共模电感量也相应增加。而差模电流经过共模电感时情况则相反，磁通互相抵消，因此差模电感量很小，儿乎为零。理论上共模电感对于共模电流表现为高阻抗，对差模电流表现为零阻抗，主要用来抑制共模噪声干扰。共模电感通常采用干扰抑制专用的铁氧体材料作为磁芯。

差模电感就是单个电感，差模电感中流过的工作电流容易使磁通饱和，从而使该电感对差模噪声电流呈现不出电感而达不到滤波效果，因此差模电感的磁芯选择不易饱和的磁粉芯。

传统的扼流圈由分立的共模电感与差模电感连接而成，因此其较长引线造成的分布电感和分布电容对滤波特性有很大的影响，所以本文采用一种新型合成扼流圈来替代分立的共模电感与差模电感。

1. 2共差模合成扼流圈

图2为集成了共模电感与差模电感的合成扼流圈。这种合成扼流圈是在共模磁芯里面再增加了一个差模磁芯，L线和N线上共差模分别共用一个绕组，绕组方向以及磁场强度的方向见图。

由此可以看出，合成扼流圈优化了线圈绕组，使得共模与差模相互独立，便于进行共差模滤波器分开设计，同时减小了EMI滤波器的尺寸与线圈的用量，也减小了器件之问连接的引线长度及其分布电感和电容。

2 滤波器设计

设计开关电源EMI滤波器之前，我们必须先弄清儿个基本问题。

2. 1儿个基本问题

2.1.1噪声测量

图3所示为典型的噪声测量结构图，噪声的测量主要通过LISN来实现。LISN是指线路阻抗稳定网络，又称人工电源网络，是传导型噪声测量的重要工具。

送到接收机进行分析。

2. 1. 2滤波器阻抗失配原理

根据信号传输理论，滤波器输入端与电源端的端接、滤波器输出端与负载端的端接应遵循阻抗极大不匹配原则。因此滤波器设计时遵循以下两个规则:1)源内阻是高阻(低阻)的，滤波器输入阻抗就应该是低阻(高阻);2)负载是高阻(低阻)的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻(高阻)。所以，我们用电感与低的源阻抗或者负载阻抗串联，或者用电容与一个高的源阻抗或负载阻抗并联。

2. 2滤波器电路结构分析

在以上儿个基本问题分析的基础上，本文提出了一种基于合成扼流圈的滤波器电路拓扑，如图5所示，虚线框内为合成扼流圈。

2. 2. 1共模等效电路

图6为滤波器的共模等效电路图，由于Ck对于共模噪声不起作用，故将其略去，并目_以接地点G为对称点将电路对折。根据上面合成扼流圈的分析可知，其等效共模电感量为L}，两个Cu的等效电容值因并联变成原先的两倍，LISN提供的两个50 }的电阻负载也并联成为25 }的等效负载。这个25 }的等效负载阻抗可以看作滤波器的负载阻抗，其值相对较小，而通常情况下共模噪声源阻抗Zcn}一般较大，所以根据滤波器阻抗失配原理，我们用电感器Lc:与滤波器负载阻抗相串连，用电容器与共模噪声源阻抗相并。

2. 3滤波器元器件参数计算

基于以上的分析，我们可以计算相应的滤波器元器件参数。首先根据测得的原始共模与差模噪声，决定需要衰减的噪声频率段与衰减量，求得共差模滤波器的转折频率，然后计算滤波器各个元件的参数。

在计算元件参数时，我们应该注意，由于滤波器电感电容值越大，其转折频率越低，对噪声的抑制效果越好，但同时成本和体积也相应增加。而目_由材料特性可知，当电感电容值越大时，可持续扣J制噪声的频率范围也相对变窄，因此其值不可以取得无限大。考虑到电容对于体积的影响较电感小，而目_市场上出售的电容器都有固定的电容值，与电感值相比缺乏弹性，故在决定电感电容值时，应优先考虑电容。

3 试验

为了验证合成扼流圈的实际使用效果，我们分别设计了应用传统扼流圈的滤波器与应用合成扼流圈的滤波器，两者磁芯以及电感电容参数相同，并目_对两者进行了噪声衰减的比较试验，试验结果如图8所示。

本文选用北京某公司功率为12w的12v转士is v开关电源作为待测试的电源模块。由于此滤波器用于车用DC/ DC变换器控制电路板上，因此采用整车及零部件所遵循的CISPR2s电源线输入端传导骚扰电压标准作为本试验的衡量标准，扫描频率从1sOkHz到108MHz。其中，图8a为共模噪声频谱图;图8b为差模噪声频谱图;

图8 为合成噪声频谱图。

从图8可以看出，根据本文所述的方法设计出来的滤波器能有效地衰减开关电源的EMI噪声，使其满足相关的EMC标准。由于合成扼流圈在一定程度上消除了传统扼流圈由于分立共差模电感问存在较长的引线所造成的分布参数对于滤波性能的影响，并目_优化了线圈绕组，因此使其与传统扼流圈相比，在滤波性能上有了进一步提升。由图8可见，其插入损耗在某些频率段提高了3 } s dB, A一经其衰减之后的噪声相对比较平滑。