開關電源中EMI濾波器組件的原理分析

電源框圖

您的項目現已進展到需要選擇內部AC-DC和DC-DC電源的階段。在上一個項目中，您選擇了帶內部EMI和EMC組件的電源，但在本項目中，您所需的電源需要外部EMI和EMC組件。在這篇討論文章中，我們將幫助您了解為什么需要不同的組件以及如何選擇這些組件。我們不會探討EMI和EMC的細枝末節，我們的基本理念是“不會損害其他系統”和“在存在外部電氣干擾的情況下正常運行”。有關EMI和EMC的更詳細討論，請參閱如下網頁：EMI和EMC電源有何區別？。

圖1中的電源框圖在之前的一篇網頁文章開關模式電源各模塊的工作原理中進行了介紹和討論，本文將以此為基礎繼續展開討論。

圖1：AC-DC開關電源簡化框圖

在上圖中，EMI/EMC濾波器顯示為電源輸入端的模塊。在實際操作中，如下圖2所示，一些EMI/EMC濾波器組件放置在電源的輸入端上，一些放置在電源的輸出端上，而另一些則放置在電源的輸入端和輸出端之間。

EMI/EMC組件可用于發揮以下功能：

盡量降低電源輸入或輸出端的輻射和傳導噪聲

盡量減輕電壓瞬變對電源輸入或輸出端施加的影響

盡量削弱首次在電源輸入端施加電壓時產生的輸入涌流

在電源出現故障時保護輸入電源和導體

圖2：外部EMI和EMC組件

電路保護組件

保險絲

保險絲用于保護電源和饋入電源的導體，并與電源的輸入端串聯放置。為保證有效防護，保險絲和上游電源導體之間不應有組件。保險絲應與非接地輸入端子串聯放置，以保證在保險絲斷開時電源上沒有電壓。如果規格合適的保險絲因輸入到下游電源的電流過大而斷開，則不僅應更換保險絲，而且下游電源也已損壞，應當予以修理或更換。應根據應用的電壓、電流、響應時間和工作溫度選擇保險絲。還要在一系列封裝選項中作出選擇（例如圖3中所示的選項），這有助于進一步優化設計。

圖3：保險絲符號（左）和安裝方式（右）

金屬氧化物變阻器 (MOV)

金屬氧化物變阻器 (MOV) 放置在輸入端子之間，并用于吸收輸入電壓源可能產生的電壓瞬變。使用AC-DC電源時，輸入電壓源是交流電源線，因而可能需要借助MOV吸收瞬態電流沖擊產生的瞬態能量或交流電網遭受的其它損壞。MOV組件在正常運行時具有高阻抗，而在電壓超過額定值時（在出現輸入瞬態電壓時會發生這種情況）則會變為低阻抗。輸入保險絲應始終放置在MOV和輸入電源之間。如果MOV因瞬態輸入電壓而變為低阻抗，保險絲就可能熔斷。應根據可能施加到電源的工作電壓和瞬態能量選擇MOV。其他MOV保護組件可以采用齊納二極管、TVS（瞬態電壓抑制）二極管或GDT（氣體排放管）。

圖4：MOV符號（左）和電壓-電流關系（右）

輸入涌流的限制電阻器

EMI/EMC組件圖中標記為R1的電阻器適用于AC-DC電源，用于限制首次對電源施加交流電壓時產生的輸入涌流。輸入涌流產生的原因是首次施加輸入電壓時大容量電容器發生了初始快速充電。如果沒有限流電阻器，輸入涌流就可能達到常規工作電流的100倍。數值較高的限流電阻器可以削弱輸入涌流，但可能會導致正常運行出現無法接受的功率損耗。應當謹慎選擇輸入涌流電阻器的結構。電阻器必須能夠承受在輸入涌流流動時爆發的高能量。繞線結構電阻器通常是理想的輸入涌流限制電阻器選項。膜式結構電阻器通常不適合處理大輸入浪涌能量。

圖5：輸入涌流的限制電阻器

一些設計會使用負溫度系數 (NTC) 電阻器作為輸入涌流限制電阻器。NTC電阻器在低溫時具有高電阻值，可有效限制輸入涌流。NTC電阻器因輸入電流的流動而變熱之后，電阻值就會下降，并且與電阻器相關聯的功率耗散也會隨之下降。應當在電源關閉之后至重新接通輸入電源之前，為NTC電阻器留出充足的時間（幾十秒）進行冷卻和恢復高阻抗。許多DC-DC轉換器應用不需要輸入涌流限制電阻器。如果輸入電壓相對較低（240 Vac的峰值輸入電壓為340 V）或輸入電源的源阻抗將限制最大可用輸入電流，則輸入涌流可能本身就會受到限制。

輸出瞬態電壓抑制

電源輸出端的TVS（瞬態電壓抑制）二極管有兩種不同的用途。在電源輸出端加入TVS二極管的常見原因是分流電源輸出端子上的外部源引起的電壓瞬變，從而保護電源。雖然MOV在電源輸入端通常具有類似用途，但電源輸出端的電壓以及電源輸出端發生瞬變時產生的相關能量通常都比輸入端低，因此TVS二極管會是更合適的解決方案。如果還希望在電源的輸出端發生故障時抑制輸出電壓，可使用齊納二極管代替TVS二極管。應當注意，在這種情況下，齊納二極管需要耗散的功率可能大于電源的輸出功率額定值。齊納二極管的擊穿電壓將大于電源輸出電壓，而且在故障期間，電源輸送的電流很可能會大于額定輸出電流。

圖6：TVS符號（左）和電壓-電流關系（右）

EMI濾波器組件

差模扼流圈

標有LDM的電感器與輸入電源通路串聯放置。該組件與輸入電容器CX形成低通LC濾波器，以減弱輸入導線上惱人的傳導噪聲電壓，避免將其傳送至外部電源。上述電感器的飽和電流規格必須足夠大，才能承受正常運行期間的最大輸入電流。電感器在涌入啟動電流浪涌時發生飽和是可以接受的。應當選擇DCR（寄生直流電阻）足夠低的差模電感器，這樣的電感器功耗才合格。

圖7：差模扼流圈

共模扼流圈

標有LCM的雙繞組扼流圈是一種輸入共模扼流圈。共模扼流圈用于產生高阻抗，以減弱沿輸入導體流動的共模電流。在示意圖中放置共模扼流圈時應小心，確保各“點”的方向正確。這些點表示一對繞組的相對纏繞方向。這兩點無論是位于共模扼流圈連接的輸入端還是輸出端，都不重要，但這兩點都必須位于扼流圈的同一電氣側。差模扼流圈不需要以點標示；因為其中只有一個繞組，電流方向無關緊要。必須選擇共模扼流圈，才能在電源正常運行期間處理最大電流并實現可接受的功率耗散。與差模扼流圈不同，共模扼流圈中在共模模式下流動的電流非常少，因此通常不必擔心飽和電流額定值問題。

圖8：共模扼流圈

X安全級輸入電容器

位于輸入電源線兩端并標有CX的電容器用于分流差模傳導電壓噪聲，使噪聲不會繼續流向外部電壓源。此電容器應為X或Y安全級結構。X和Y安全級電容器均設計為直接連接交流輸入線路，因此可以耐受可能出現的電壓浪涌。電容值越大，阻抗越低，就越能更好地分流惱人的噪聲，但也會增加AC-DC電源的輸入漏電流。許多交流電源系統需要滿足監管標準，標準中可能包括最大輸入漏電流限制，所以會限制并聯電容器中的電容量。

圖9：帶（上）和不帶（下）X電容器的EMI電流通路

Y安全級隔離電容器

放置在輸入和輸出端之間并在示意圖中標有CY1的電容器用于減弱電源輸出端的共模電壓噪聲。由于這一電容器需橫跨隔離屏障，所以選用了Y安全級。Y安全級電容器采用開路失效設計，因此在電容器失效的情況下，能夠維持電源輸入至輸出端隔離的完整性。在一些應用中，需要串聯放置兩個電容器，以便加強保障電源輸入和輸出端之間的隔離完整性。

需要電容器CY1的原因在于初級電路側開關晶體管引發的電壓波形，以及隔離磁性組件的初級和次級電路側之間的寄生電容（圖9）。電容器CY1應放置在初級電路側開關FET的源極和隔離磁性組件的次級繞組端子之間。我們馬上就會討論到，隔離磁性組件的輸出端子之間具有大規格旁路電容器，因此具有同等的交流電勢。因此，電容器CY1的輸出端子可以連接到上述任一輸出端子。CY1的電容值選用顯著大于初級到次級寄生電容的電容值，以便在電源輸出端將共模電壓減弱到可接受的水平。應當注意，電容器CY1的值較大時，會產生不利影響，將在電源的輸入與輸出端之間引起較大的交流漏電流。

圖10：初級電路側開關、隔離磁性組件和寄生電容

輸入大電容

原理圖中標有C1的電容器直接跨過DC-DC轉換器的輸入端，放置在AC-DC電源的橋式整流器（和功率因數校正電路，如果有的話）后方。在DC-DC轉換器中，此電容器可作為輸入電荷儲存器，用于減弱輸入電流瞬變引起的輸入電壓干擾。這種電容器在AC-DC電源中的用途是過濾經過整流的交流輸入電壓，并在移除交流輸入電壓時提供能量以維持輸出電壓。此前討論的輸入涌流限制電阻器用于限制此電容器初次充電時吸收的最大電流

輸出濾波

位于電源輸出端子上的濾波器組件可用于解決EMI和EMC問題，但它們通常放置在負載附近，并且選擇的組件值旨在將輸出紋波電壓降低到負載可接受的水平。為簡單起見，許多電源應用將L1替換為一個短回路。如前所述，電容器C2在電源輸出端子之間提供低阻抗AC通路，從而可以將CY1連接到電源的任一輸出端子。

圖11：輸出濾波器

EMC組件選擇

現在看來可能很明顯，選擇合適的組件來預防電源相關EMI和EMC問題并非難事，但有許多細節需要考慮。通常，最終選擇的組件和組件值都是在權衡性能、成本、尺寸和功率轉換效率之后的折衷選項。CUI等大多數電源供應商都有客戶支持工程師，如果您在項目過程中需要，他們都會愿意提供額外的幫助。

審核編輯：黃飛

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