開關電源EMI濾波器設計與驗證

孟晶　楊勇　熊立

摘 要： 開關電源已廣泛應用于電力電子設備中，作為一種EMI源，在設計電源電路中需前置EMI濾波器抑制傳導干擾。CE102作為檢測電源線傳導干擾的一項電磁兼容性試驗，成為電子設備尤其是軍用電子設備的必測項目，測試超標即意味著設計的失敗。設計了一個EMI濾波器，通過CE102測試和分析發(fā)現(xiàn)并解決設計存在的問題，并通過整改后的試驗驗證，證明設計的有效性。

關鍵詞： 開關電源； EMI濾波器； 電磁兼容性； CE102

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0137?03

Abstract： Switching power supply， as a electromagnetic interference （EMI） source， is widely used in power electronic equipments. The EMI filter should be prepositioned in power circuit design to suppress the conducted EMI. CE102 is taken as a project of EMC tests to detect the conducted interference of power?line. It is a necessary measuring project of electronic equipments， especially for military electronic equipments. It means that the design of the power system fails if the interference exceeds the standard. An EMI filter was designed to find and solve the problems of the design by CE102 test and analysis. The effectiveness of the design was proved by CE102 after the test validation.

Keywords： switchingpower supply； EMI filter； EMC； CE102

0 引 言

隨著開關電源的迅速發(fā)展和廣泛應用，它們引起的電磁泄露和電磁輻射問題越來越嚴重。電源EMI濾波器作為開關電源的輔助器件，可以有效地抑制開關電源中的傳導干擾[1]。

EMI濾波器又稱作電源線濾波器，安裝在電源線與設備之間，既能有效阻止外界的電磁干擾經(jīng)電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產(chǎn)生的電磁騷擾經(jīng)電源線進入電網(wǎng)，所以EMI濾波器是電源抗干擾和干擾抑制設計中非常重要的器件[2]。

電磁兼容性問題是衡量電子產(chǎn)品質量的一個重要指標，日益成為電子產(chǎn)品設計中的關鍵項目[3]。在電源系統(tǒng)設計過程中，引入電磁兼容性設計，可以提高電源系統(tǒng)的整體抗干擾能力，延長系統(tǒng)的使用壽命，確保使用的安全性[4]。

EMC電源線傳導發(fā)射即CE102是用來測量EUT輸入電源線上的傳導發(fā)射的[5]，而通過CE102 10 kHz～10 MHz電源線傳導發(fā)射[6]試驗是當前幾乎所有軍用供電設備需滿足的設計要求，EMI濾波器設計不當，將直接導致電源線傳導發(fā)射超標，設計失敗。

1 EMI濾波器設計

傳導型的EMI噪聲包括共模噪聲和差模噪聲兩種。共模噪聲存在于所有的交流相線和共模地之間，其產(chǎn)生來源被認為是電氣回路之間絕緣電流以及電磁耦合等。差模噪聲存在于交流相線之間，產(chǎn)生來源是脈動電流，開關器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復電流[7]。所以在進行EMI濾波器設計時，以濾除共模噪聲和差模噪聲為目標開展設計。

本文設計了一個LC濾波器作為EMI濾波器，其原理框圖如圖 1虛線框中所示，圖中負載為一高速開關電路。電路中L1和L2為共模電感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1為濾波電容，L1，和L2，被設計用來抑制共模干擾，但由于實際電感在生產(chǎn)時的不對稱，其對差模干擾也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并聯(lián)在電源正負線兩端，主要用來抑制差模干擾，而CY1和CY2分別從負、正電源線引出到共模地，主要用來抑制共模干擾。

共模電感值的選取與負載情況有關，即電感值與其通過的額定電流有關，關系如表1所示[8]。

對于共模等效電路，濾波器相當于一個LCL濾波器，對于差模等效電路，濾波器相當于一個CL′CL′C′濾波器，均可通過公式（1）計算得出所需電容值，差模等效電路中，由于L′值為共模電感生產(chǎn)不精確引入的，值較小，計算時可忽略不計。

2 EMC試驗情況

依據(jù)GJB152A CE102試驗方法[10]，測試鏈路圖如圖2所示。

由測試圖可見，添加所設計濾波器后，超標頻點傳導騷擾雖然得到抑制，但依舊超標，無法通過試驗。通過掃描回線傳導騷擾發(fā)現(xiàn)，回線傳導騷擾與正線在相同頻點處超標，且幅值相差不大，從而可判斷干擾為共模干擾，說明該濾波器在設計應用后，共模干擾沒有得到有效濾除。

3 設計整改

在該EMI濾波器設計時，CY1和CY2分別從負、正電源線引出到共模地，即將共模干擾信號引導入共模地來消除共模干擾，可見共模地的設計很關鍵，而共模地的設計主要體現(xiàn)在PCB設計上。在PCB設計時，Y電容共模地覆銅面積僅在表層鋪設且面積不大，如圖5所示（虛線框為實際共模地覆銅面積），這極有可能是造成EMI濾波器沒有完全濾除開關電源的共模噪聲的原因所在。

對PCB進行更改，增大共模地鋪銅面積，在多層敷設共模地網(wǎng)絡（該板為6層板），并且將共模地的鋪銅面積覆蓋DC?DC模塊下面，設計如圖6所示重新制板生產(chǎn)。

按照上文所述辦法重新進行CE102試驗，測試結果圖（正線）如圖7所示，回線情況與正線情況類似。

可見，經(jīng)重新PCB布局后，濾波器成功將共模噪聲抑制并滿足測試要求，說明在PCB設計時共模地設計對EMI濾波器的設計成功至關重要。

4 結 語

EMI濾波器可有效濾除開關電源的共模噪聲和差模噪聲，在開關電源的設計中，越來越受關注。一個原理正確的EMI濾波器設計，在實際工程應用中，會由于PCB設計不當，造成濾波器失效。本文通過CE102實驗驗證，證明了共模地的PCB設計在EMI濾波器設計中至關重要，同時證明了本文設計的EMI濾波器的有效性。

參考文獻

[1] 黃河清.電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[2] 麗萍.開關電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[3] 張桐，超群，婉立.電磁兼容性設計在電源系統(tǒng)設計中的應用[J].電源技術，2010，34（10）：1065?1067.

[4] 王錫吉.電子設備可靠性工程[M].西安：陜西科學技術出版 社，1999.

[5] 張萌.EMC電源線傳導發(fā)射測量不確定度評定[J].國外電子測量技術，2007，26（10）：24?25.

[6] 電子工業(yè)部.GJB151A?97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[7] 張衛(wèi)平.開關電源的EMI濾波器原理及其設計[C]//中國電工技術學會電力電子學會第十二屆學術年會.北京：中國電工學會，2010.

[8] [法]米切爾·麥迪圭安.電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術[M].劉萍，魏東興，臧瑞華，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[9] 姜傳毅.D類音頻放大器仿真及EMC設計[D].大連：大連理工大學，2009.

[10] 電子工業(yè)部.GJB152A?97 軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

摘 要： 開關電源已廣泛應用于電力電子設備中，作為一種EMI源，在設計電源電路中需前置EMI濾波器抑制傳導干擾。CE102作為檢測電源線傳導干擾的一項電磁兼容性試驗，成為電子設備尤其是軍用電子設備的必測項目，測試超標即意味著設計的失敗。設計了一個EMI濾波器，通過CE102測試和分析發(fā)現(xiàn)并解決設計存在的問題，并通過整改后的試驗驗證，證明設計的有效性。

關鍵詞： 開關電源； EMI濾波器； 電磁兼容性； CE102

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0137?03

Abstract： Switching power supply， as a electromagnetic interference （EMI） source， is widely used in power electronic equipments. The EMI filter should be prepositioned in power circuit design to suppress the conducted EMI. CE102 is taken as a project of EMC tests to detect the conducted interference of power?line. It is a necessary measuring project of electronic equipments， especially for military electronic equipments. It means that the design of the power system fails if the interference exceeds the standard. An EMI filter was designed to find and solve the problems of the design by CE102 test and analysis. The effectiveness of the design was proved by CE102 after the test validation.

Keywords： switchingpower supply； EMI filter； EMC； CE102

0 引 言

隨著開關電源的迅速發(fā)展和廣泛應用，它們引起的電磁泄露和電磁輻射問題越來越嚴重。電源EMI濾波器作為開關電源的輔助器件，可以有效地抑制開關電源中的傳導干擾[1]。

EMI濾波器又稱作電源線濾波器，安裝在電源線與設備之間，既能有效阻止外界的電磁干擾經(jīng)電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產(chǎn)生的電磁騷擾經(jīng)電源線進入電網(wǎng)，所以EMI濾波器是電源抗干擾和干擾抑制設計中非常重要的器件[2]。

電磁兼容性問題是衡量電子產(chǎn)品質量的一個重要指標，日益成為電子產(chǎn)品設計中的關鍵項目[3]。在電源系統(tǒng)設計過程中，引入電磁兼容性設計，可以提高電源系統(tǒng)的整體抗干擾能力，延長系統(tǒng)的使用壽命，確保使用的安全性[4]。

EMC電源線傳導發(fā)射即CE102是用來測量EUT輸入電源線上的傳導發(fā)射的[5]，而通過CE102 10 kHz～10 MHz電源線傳導發(fā)射[6]試驗是當前幾乎所有軍用供電設備需滿足的設計要求，EMI濾波器設計不當，將直接導致電源線傳導發(fā)射超標，設計失敗。

1 EMI濾波器設計

傳導型的EMI噪聲包括共模噪聲和差模噪聲兩種。共模噪聲存在于所有的交流相線和共模地之間，其產(chǎn)生來源被認為是電氣回路之間絕緣電流以及電磁耦合等。差模噪聲存在于交流相線之間，產(chǎn)生來源是脈動電流，開關器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復電流[7]。所以在進行EMI濾波器設計時，以濾除共模噪聲和差模噪聲為目標開展設計。

本文設計了一個LC濾波器作為EMI濾波器，其原理框圖如圖 1虛線框中所示，圖中負載為一高速開關電路。電路中L1和L2為共模電感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1為濾波電容，L1，和L2，被設計用來抑制共模干擾，但由于實際電感在生產(chǎn)時的不對稱，其對差模干擾也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并聯(lián)在電源正負線兩端，主要用來抑制差模干擾，而CY1和CY2分別從負、正電源線引出到共模地，主要用來抑制共模干擾。

共模電感值的選取與負載情況有關，即電感值與其通過的額定電流有關，關系如表1所示[8]。

對于共模等效電路，濾波器相當于一個LCL濾波器，對于差模等效電路，濾波器相當于一個CL′CL′C′濾波器，均可通過公式（1）計算得出所需電容值，差模等效電路中，由于L′值為共模電感生產(chǎn)不精確引入的，值較小，計算時可忽略不計。

2 EMC試驗情況

依據(jù)GJB152A CE102試驗方法[10]，測試鏈路圖如圖2所示。

由測試圖可見，添加所設計濾波器后，超標頻點傳導騷擾雖然得到抑制，但依舊超標，無法通過試驗。通過掃描回線傳導騷擾發(fā)現(xiàn)，回線傳導騷擾與正線在相同頻點處超標，且幅值相差不大，從而可判斷干擾為共模干擾，說明該濾波器在設計應用后，共模干擾沒有得到有效濾除。

3 設計整改

在該EMI濾波器設計時，CY1和CY2分別從負、正電源線引出到共模地，即將共模干擾信號引導入共模地來消除共模干擾，可見共模地的設計很關鍵，而共模地的設計主要體現(xiàn)在PCB設計上。在PCB設計時，Y電容共模地覆銅面積僅在表層鋪設且面積不大，如圖5所示（虛線框為實際共模地覆銅面積），這極有可能是造成EMI濾波器沒有完全濾除開關電源的共模噪聲的原因所在。

對PCB進行更改，增大共模地鋪銅面積，在多層敷設共模地網(wǎng)絡（該板為6層板），并且將共模地的鋪銅面積覆蓋DC?DC模塊下面，設計如圖6所示重新制板生產(chǎn)。

按照上文所述辦法重新進行CE102試驗，測試結果圖（正線）如圖7所示，回線情況與正線情況類似。

可見，經(jīng)重新PCB布局后，濾波器成功將共模噪聲抑制并滿足測試要求，說明在PCB設計時共模地設計對EMI濾波器的設計成功至關重要。

4 結 語

EMI濾波器可有效濾除開關電源的共模噪聲和差模噪聲，在開關電源的設計中，越來越受關注。一個原理正確的EMI濾波器設計，在實際工程應用中，會由于PCB設計不當，造成濾波器失效。本文通過CE102實驗驗證，證明了共模地的PCB設計在EMI濾波器設計中至關重要，同時證明了本文設計的EMI濾波器的有效性。

參考文獻

[1] 黃河清.電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[2] 麗萍.開關電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[3] 張桐，超群，婉立.電磁兼容性設計在電源系統(tǒng)設計中的應用[J].電源技術，2010，34（10）：1065?1067.

[4] 王錫吉.電子設備可靠性工程[M].西安：陜西科學技術出版 社，1999.

[5] 張萌.EMC電源線傳導發(fā)射測量不確定度評定[J].國外電子測量技術，2007，26（10）：24?25.

[6] 電子工業(yè)部.GJB151A?97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[7] 張衛(wèi)平.開關電源的EMI濾波器原理及其設計[C]//中國電工技術學會電力電子學會第十二屆學術年會.北京：中國電工學會，2010.

[8] [法]米切爾·麥迪圭安.電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術[M].劉萍，魏東興，臧瑞華，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[9] 姜傳毅.D類音頻放大器仿真及EMC設計[D].大連：大連理工大學，2009.

[10] 電子工業(yè)部.GJB152A?97 軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

摘 要： 開關電源已廣泛應用于電力電子設備中，作為一種EMI源，在設計電源電路中需前置EMI濾波器抑制傳導干擾。CE102作為檢測電源線傳導干擾的一項電磁兼容性試驗，成為電子設備尤其是軍用電子設備的必測項目，測試超標即意味著設計的失敗。設計了一個EMI濾波器，通過CE102測試和分析發(fā)現(xiàn)并解決設計存在的問題，并通過整改后的試驗驗證，證明設計的有效性。

關鍵詞： 開關電源； EMI濾波器； 電磁兼容性； CE102

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0137?03

Abstract： Switching power supply， as a electromagnetic interference （EMI） source， is widely used in power electronic equipments. The EMI filter should be prepositioned in power circuit design to suppress the conducted EMI. CE102 is taken as a project of EMC tests to detect the conducted interference of power?line. It is a necessary measuring project of electronic equipments， especially for military electronic equipments. It means that the design of the power system fails if the interference exceeds the standard. An EMI filter was designed to find and solve the problems of the design by CE102 test and analysis. The effectiveness of the design was proved by CE102 after the test validation.

Keywords： switchingpower supply； EMI filter； EMC； CE102

0 引 言

隨著開關電源的迅速發(fā)展和廣泛應用，它們引起的電磁泄露和電磁輻射問題越來越嚴重。電源EMI濾波器作為開關電源的輔助器件，可以有效地抑制開關電源中的傳導干擾[1]。

EMI濾波器又稱作電源線濾波器，安裝在電源線與設備之間，既能有效阻止外界的電磁干擾經(jīng)電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產(chǎn)生的電磁騷擾經(jīng)電源線進入電網(wǎng)，所以EMI濾波器是電源抗干擾和干擾抑制設計中非常重要的器件[2]。

電磁兼容性問題是衡量電子產(chǎn)品質量的一個重要指標，日益成為電子產(chǎn)品設計中的關鍵項目[3]。在電源系統(tǒng)設計過程中，引入電磁兼容性設計，可以提高電源系統(tǒng)的整體抗干擾能力，延長系統(tǒng)的使用壽命，確保使用的安全性[4]。

EMC電源線傳導發(fā)射即CE102是用來測量EUT輸入電源線上的傳導發(fā)射的[5]，而通過CE102 10 kHz～10 MHz電源線傳導發(fā)射[6]試驗是當前幾乎所有軍用供電設備需滿足的設計要求，EMI濾波器設計不當，將直接導致電源線傳導發(fā)射超標，設計失敗。

1 EMI濾波器設計

傳導型的EMI噪聲包括共模噪聲和差模噪聲兩種。共模噪聲存在于所有的交流相線和共模地之間，其產(chǎn)生來源被認為是電氣回路之間絕緣電流以及電磁耦合等。差模噪聲存在于交流相線之間，產(chǎn)生來源是脈動電流，開關器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復電流[7]。所以在進行EMI濾波器設計時，以濾除共模噪聲和差模噪聲為目標開展設計。

本文設計了一個LC濾波器作為EMI濾波器，其原理框圖如圖 1虛線框中所示，圖中負載為一高速開關電路。電路中L1和L2為共模電感，CX1，CX2，CX3，CY1，和CY1為濾波電容，L1，和L2，被設計用來抑制共模干擾，但由于實際電感在生產(chǎn)時的不對稱，其對差模干擾也有一定的抑制作用，CX1，CX2和CX3并聯(lián)在電源正負線兩端，主要用來抑制差模干擾，而CY1和CY2分別從負、正電源線引出到共模地，主要用來抑制共模干擾。

共模電感值的選取與負載情況有關，即電感值與其通過的額定電流有關，關系如表1所示[8]。

對于共模等效電路，濾波器相當于一個LCL濾波器，對于差模等效電路，濾波器相當于一個CL′CL′C′濾波器，均可通過公式（1）計算得出所需電容值，差模等效電路中，由于L′值為共模電感生產(chǎn)不精確引入的，值較小，計算時可忽略不計。

2 EMC試驗情況

依據(jù)GJB152A CE102試驗方法[10]，測試鏈路圖如圖2所示。

由測試圖可見，添加所設計濾波器后，超標頻點傳導騷擾雖然得到抑制，但依舊超標，無法通過試驗。通過掃描回線傳導騷擾發(fā)現(xiàn)，回線傳導騷擾與正線在相同頻點處超標，且幅值相差不大，從而可判斷干擾為共模干擾，說明該濾波器在設計應用后，共模干擾沒有得到有效濾除。

3 設計整改

在該EMI濾波器設計時，CY1和CY2分別從負、正電源線引出到共模地，即將共模干擾信號引導入共模地來消除共模干擾，可見共模地的設計很關鍵，而共模地的設計主要體現(xiàn)在PCB設計上。在PCB設計時，Y電容共模地覆銅面積僅在表層鋪設且面積不大，如圖5所示（虛線框為實際共模地覆銅面積），這極有可能是造成EMI濾波器沒有完全濾除開關電源的共模噪聲的原因所在。

對PCB進行更改，增大共模地鋪銅面積，在多層敷設共模地網(wǎng)絡（該板為6層板），并且將共模地的鋪銅面積覆蓋DC?DC模塊下面，設計如圖6所示重新制板生產(chǎn)。

按照上文所述辦法重新進行CE102試驗，測試結果圖（正線）如圖7所示，回線情況與正線情況類似。

可見，經(jīng)重新PCB布局后，濾波器成功將共模噪聲抑制并滿足測試要求，說明在PCB設計時共模地設計對EMI濾波器的設計成功至關重要。

4 結 語

EMI濾波器可有效濾除開關電源的共模噪聲和差模噪聲，在開關電源的設計中，越來越受關注。一個原理正確的EMI濾波器設計，在實際工程應用中，會由于PCB設計不當，造成濾波器失效。本文通過CE102實驗驗證，證明了共模地的PCB設計在EMI濾波器設計中至關重要，同時證明了本文設計的EMI濾波器的有效性。

參考文獻

[1] 黃河清.電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[2] 麗萍.開關電源EMI濾波器研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[3] 張桐，超群，婉立.電磁兼容性設計在電源系統(tǒng)設計中的應用[J].電源技術，2010，34（10）：1065?1067.

[4] 王錫吉.電子設備可靠性工程[M].西安：陜西科學技術出版 社，1999.

[5] 張萌.EMC電源線傳導發(fā)射測量不確定度評定[J].國外電子測量技術，2007，26（10）：24?25.

[6] 電子工業(yè)部.GJB151A?97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[7] 張衛(wèi)平.開關電源的EMI濾波器原理及其設計[C]//中國電工技術學會電力電子學會第十二屆學術年會.北京：中國電工學會，2010.

[8] [法]米切爾·麥迪圭安.電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術[M].劉萍，魏東興，臧瑞華，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[9] 姜傳毅.D類音頻放大器仿真及EMC設計[D].大連：大連理工大學，2009.

[10] 電子工業(yè)部.GJB152A?97 軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防工業(yè)出版社，1997.