EMI滤波电感设计
EMI滤波器
正常工作的开关类电源（SMPS）会产生有害的高频噪声，它能影响连接到相同电源线上的电子设备像计算机、
仪器和马达控制。用一个EMI滤波器插入电源线和SMPS之间能消除这类干扰（图1）。一个差模噪声滤波器和一个
共模噪声滤波器能够串联或在许多情况下单独使用共模噪声滤波器。
图1 EMI滤波器的插入
一、共模电感设计
在一个共模滤波器内，电感的每一个绕阻和电源输入线中的任一根导线相串联。（对于电源的输入线来讲）电感绕
组的接法和相位是这样的，第一个绕组产生的磁通会与第二个绕组产生的磁通相削. 于是，除了泄漏阻抗的小损耗和绕组
的直流电阻以外，电感至电源输入线的插入阻抗为另。由于磁通的阻碍，SMPS的输入电流需要功率，因此将通过滤波器，
滤波器应没有任何明显的损耗。
共模噪声的定义是出现在电源输入线的一根或二根导线上的有害电流通过电感的地返回噪声源的噪声。
此电流要视共模电感的任何一个或二个绕组的全部阻抗，因为它不能被返回的电流所抵消。共模噪声电压是电感绕组
上的衰减，应从有害噪声中保持电源输入线的畅通。
1.1、选择电感材料
开关电源正常工作频率20KHz以上，而电源产生的有害噪声比20KHz高，往往在100KHz～50MHz之间。
对于电感来讲，大多数选择适当和高效费比的铁氧体，因为在有害频带内能提供最高的阻抗。当看到公共参数如磁导率
和损耗系数就去识别材料是困难的。图2给出铁氧体磁环J-42206-TC绕10匝后的阻抗ZS和频率的关系曲线。
图2铁氧体磁环的阻抗和频率的关系
在1～10MHz之间绕组到达最大阻抗，串联感抗XS和串联电阻RS（材料磁导率和损耗系数的函数）共同产生总阻抗Zt。
图3所示为图2中铁氧体材料的磁导率和损耗系数与频率的函数关系。由于感抗引起的下降，导致磁导率在750KHz以
上的下降；由于电阻取决高频的源阻抗所以损耗系数随频率而增加。
图3铁氧体磁环的磁导率、损耗系数和频率的关系
图4给出三种不同材料的总阻抗和频率的关系。J材料在超过1～20MHz范围内具有高的总阻抗，它最广泛地应用于共模
滤波器的扼流圈。在1MHz，W材料阻抗比J材料高20-50％，当低频噪声是主要问题时经常应用J材料；K材料可用于2MHz 以上，因为在此频率范围内它产生的阻抗比J材料高直至100％。在2MHz以上或以下，对于滤波器所要求的规范，J或W是优先的。
图4三种不同材料的阻抗和频率的关系
1.2、磁芯的形状
对于共模噪声滤波器环形磁芯是最普及的，他们不贵、泄漏磁通也低。环形磁芯必须用手绕制（或在独特的环形绕线
机上绕制）。正常情况要用一个非金属的分隔板放置在两个绕组之间，以及为了和PC板连接，这个绕制器件还需环氧化在
印制板的头部。
具有附件的E形磁芯比环形磁芯贵，但组装成一个整体只需较小的代价。绕制E形磁芯的骨架相对便宜。为了分隔两个绕组
可购到有分隔板的骨架并可安装在PC板上。
E形磁芯有更多的泄漏电感，在共模滤波器中对于不同的滤波是有用的。E形磁芯为了增加泄漏电感可以豁开缝隙，以便吸
收有害的共模和差模噪声。
1.3、磁芯的选择
下面给出环形磁芯的设计步骤，单层共模电感见图5。为了尽量减小绕组电容和防止由于不对称绕组引起的磁芯饱和，单
层设计是经常应用的。步骤中假设两个相反的绕组之间的最小自由空间为30度。
图5单层共模电感的结构
对于共模电感所需的基本参数是电流（I）、阻抗（ZS）、和频率（f）。电流决定导线的尺寸。一个保守的400A/cm2电流
密度不会在导线上产生有效的热量。而一个过分的800A/cm2电流密度会引起导线发热，这两个等级可用选择图表表示。
在所给频率上，规定一个最小的电感阻抗是正常的。这个频率通常足够低并假设感抗XS能提供图2所示的阻抗。随后电感可计
算为：(2)用已知的电感和电流乘积LI基础上的图6和图7能用于选择磁芯的尺寸，这里L是电感(mH)和I是电流（A）。建立在电流密度（Cd）400或800 A/cm2基础上的导线尺寸（AWG）可用下式计算：
匝数可由磁芯的AL值决如下 1.4、设计举例
在10KHz阻抗为100Ω时,电流为3A，由式（1）计算得LS=1.59mH；用800 A/cm2电流密度时,LI乘积为4.77，为了选择材料可
从图7查得磁芯尺寸。在此例，选择W材料直至1MHz可以给出高的阻抗，见图4。图7给出磁芯材料为W-41809-TC。由表1可查得磁
芯尺寸和AL值。用AL=12200 mH /1000匝，式（3）给出N=12匝每边。用800 A/cm2时, 式（2）给出AWG=21。
表1环形磁芯尺寸及其AL值
二、整流电感设计
典型的稳压器电路包含三个部分：晶体开关管、二极箝位管、和LC滤波器。一个不稳压的直流电压加到通常工作
在1～50KHz频率的晶体开关管。当开关处在…ON?状态时，输入电压Ein加到LC滤波器，结果导致通过电感的电流增大；当开关处在…OFF?状态时，用储存在电感和电容内的过剩能量来保持输出功率。通过调整…ON?状态时的晶体开关管的
导通时间ton和用来自输出端的反馈系统来获得稳压。结果稳定的直流输出电压可表示为：
Eout=Eintonf (4)
2.1、组件选择
开关系统包含晶体管和来自稳压器输出的反馈。晶体管的选择包含两个因素：（1）电压等级需大于最大的输入电压
（2）为了保证有效地工作，截止频率特性必须高于实际的开关频率。反馈电路通常包括运放和比较器。对于二极箝位管
的要求和晶体管的选择相同。如果已知：（1）最大和最小的输入电压（2）要求的输出（3）最大允许的纹波电压（4）
最大和最小的负载电流（5）想要的开关频率，那幺就可获得电感和电容的值。LC滤波器的设计就容易完成。首先晶体管
的截止时间toff可计算为：
toff=（1- Eout/Ein max）/f (5)
当Ein减至它的最小值
fmin=(1- Eout/Ein max)/ toff (6)
用这些值，所需的电感和电容可以算得：
通过电感所允许的纹波峰-峰电流（Δi）可由下式给出：
Δi=2IO min (7)
电感可用下式计算：
L= Eouttoff/Δi （8）
对于Δi的计算值是有点任意，不过对于电感可以调整以获得实际值。
最小的电容可由下式给出：
C=Δi/8f minΔeO （9）
最后，电容最大的等效串联电阻ESR是：
ESR max =ΔeO/Δi （10）
2.2、电感设计
在高频下铁氧体E形和罐形磁芯能提供成本降低和低磁芯损耗的优点。对于开关稳压器，F和P材料被推荐是因为他们的温度和直流偏置特性。为避免饱和，可采用增加铁氧体型材气隙的办法使磁芯有效地使用。
对于开关稳压器的应用，这些磁芯的选择步骤能简化电感的设计。假设绕组系数50％和导线载流容量为500园周面积（Circular Mils）/安培，我们能决定最小的磁芯尺寸。
设计应用的两个仅有参数必须知道：
①电感需要用的直流偏置。
②直流电流。
（1）计算产品的LI2
这里：L=具有直流偏置的所需电感
I=最大直流输出电流I =IO max+Δi (11)
（2）将LI2值设置在铁氧体磁芯的选择图表中（P.4.15～4.18）。跟踪与第一根磁芯尺寸曲线相交的座标，在Y轴上可读得最大额定电感AL，它表示最小的磁芯尺寸和最大的AL，在那一点饱和将被避免。
（3）若磁芯的AL较小于在座标上获得的最大值，那幺对于电感来说，任何磁芯尺寸线只要与LI2座标相交就表示是一个可使用的磁芯。若可能，使用标准气隙的磁芯是可取的，这是由于他们的有效性。这些在座标上用虚线表示，在此手册能找到。（4）需要的电感L、磁芯尺寸、和磁芯的额定电感（AL）是已知的，那幺可用下式计算线圈的匝数：(12)
N=103√L/ AL (12)
这里L的单位是mH
(5)在P5.9上用500园周面积（Circular Mils）/安培，从导线表可选择导线的尺寸。
(6）举例
根据以下需求选择开关稳压器的磁芯：
EO =5V
ΔeO =0.5V
IO max =6A
IO min =1A
Ein min =25V
Ein max =35V
f =20KHz
①用等式（2）、（3）计算晶体开关管的截止时间和最小开关频率fmin
toff=（1-5/35）/20,000=4.3×10-5S
tmin=（1-5/25）/4.3×10-5=18,700Hz
②用等式（4）让最大纹波电流Δi通过电感
Δi=2（1）=2A
③用等式（5）计算L
L=5（4.3×10-5）/2=0.107mH
④用等式（6）、（7）计算C和ESR max
C=2/8(18700)(0.5)=26.7μF
ESR max =0.5/2=0.25Ω
⑤产品的LI2 LI2=(0.107)(8)2=6.9mJ
⑥由于有许多铁氧体型材可以购到，所以可以有不同的选择，若最大AL没有被超过，那幺与任何磁芯尺寸相交的LI2 值座标都能应用。
以下LI2值座标的选择是：
（a）45224 EC 52 磁芯AL315
（b）45015 E 磁芯AL250
(c) 44229 实芯磁芯AL315
（d）43622 罐形磁芯AL400
（e）43230 PQ磁芯AL250
⑦给定AL，对要求电感所需的匝数
AL 匝数
250 21
315 19
400 17
⑧用﹟14导线和
（7）磁芯气隙的应用
直流偏置数据（μe和H的关系曲线）的有关曲线表示点的轨迹，这个轨迹相当于有效导磁率保持常数。由图9可见以安匝数表示的最大允许的直流偏置，没有使电感减小。超过这个范围电感迅速下降。
图9有效磁导率与磁场强度的关系
应用举例：
求解：多少安匝数能支持R-42213-A-315罐形磁芯不使电感值减小？
已知：由图查得最大允许的H=25奥斯特NImax=0.8×H× =62.4安匝
或用图的顶部座标安匝/厘米H=20A-T/cm
NImax= A-T/cm× =20×3.12=62.4安匝
其中：由图查得最大允许的H=25奥斯特NImax=0.8×H× =62.4安匝
或用图的顶部座标安匝/厘米H=20A-T/cm
NImax= A-T/cm× =20×3.12=62.4安匝
以上译自（美）MAGNETICS公司铁氧体磁芯手册
3.1、磁材简介
铁镍钼（Molybdenum Permalloy）、铁镍50(Hi-Flux)和铁硅铝（Super-MSS）功率磁芯可用磁导线绕制成变压器或电感。对所给能量储存（电感和电流）或变换（电压和电流）值所允许的能量消耗，磁芯材料和尺寸
的选择指导（在这里将会给出）。能量消耗通常规定在最大上升温度期间内的最低效率或最低Q值（在电流的一
个周期内，Q值是2p乘以峰值能量储存/能量消耗）当选择磁芯材料时应考虑以下问题：
（1）铁镍钼（MPP）功率磁芯能提供最大Q值和最低磁芯损耗。就温度和交流磁通而论是最稳定的磁芯。它有最
宽广地磁导率范围和对于开关类电源的直流输出电感是非常珍贵的材料。它可用于MHz频率范围。对于高精密的
音频调谐电路、高Q滤波器、负载线圈、RFI滤波器、和其他精密电感的应用是极好的选择。
（2）铁镍50（Hi-Flux）是一个50％镍50％铁间隔分布的功率磁芯，它有15000以上高斯的饱和磁通密度和重要的磁芯损耗要比铁粉芯功率磁芯更低。对于开关稳压电源、在线噪声滤波器和反激变压器的应用，这些磁芯是理想的。和它呈现的总价值一样，当应用于高直流时，磁芯还能提供一个减小尺寸的电感。
（3）铁硅铝（Super-MSS）是一个改进的铝硅铁粉，它被Arnold技术独创性地发展了。由于提供非常低的损耗所以计划去替代铁粉芯，以及有比MPP更高的储存容量。在开关类电源中的能量储存和滤波电感的应用铁硅铝磁芯是个
极好的选择。在所用的功率频率上，铁硅铝的低损耗特性能尽量减少温度的上升，它低于类似尺寸的铁粉芯功率磁芯。与类似磁导率和尺寸的铁粉芯功率磁芯相比硅铝的直流偏置特性也极好。
为了参考，解释某些基本电磁术语和定义用于设计磁功率磁芯的关系，随后是对于变压器和电感器设计必不可
少的材料特性，采用图形显示它的典型值。对于铁镍钼（MPP）功率磁芯在手册的最后部分包含具体的磁芯尺寸和Q 值数据。
3.2、测量单位
由于历史的原因，在此手册中采用了CGS制单位，国际制（SI）和CGS制之间的转换可简化于下表2：
表2单位转换表
在CGS制自由空间磁导率的幅值为1且无量纲。在SI制自由空间磁导率的幅值为4π×10-7亨/米
3.3、电感
对于每一个磁芯电感（L）可用所列的电感系数（AL）计算：
AL：对1000匝的电感系数mH
N：匝数
所以：这里这里L是nH
电感也可由相对磁导率确定，磁芯的有效参数见图10:
Ae:有效磁芯面积cm2 :有效磁路长度cm μ:相对磁导率（无量纲）
对于环形功率磁芯，有效面积和磁芯截面积相同。
根据定义和安培定理，有效磁路长度是线圈的安匝数（NI）和从外径到外径穿过磁芯面积的平均磁场强度之比。
有效磁路长度可用安培定理和平均磁场强度给出的公式计算：
O.D. ：磁芯外径
I.D. ：磁芯内径
电感系数是用单层密绕线圈测量的。磁通密度和测试频率保持与实际一样低，通常低于40高斯和10KHz或更低。
对于各种磁导率和材料，能用…正常磁导率对磁通密度关系?和…典型磁导率对频率关系?的图形来解释低电平测
试的条件。
3.4、磁导率
对于每一个磁芯尺寸的电感系数是建立在相对磁导率的增量上的。在没有直流偏置和低磁通密度时，正常磁导
率和增量磁导率是一样的。增量磁导率随直流偏置一起减小的情况以及“增量磁导率对直流偏置”的曲线如图11所
示。由“增量磁导率对直流偏置”曲线看到正常磁导率如同峰值磁导率B。许多设计过程包括选择峰值工作磁通密
度去帮助决定磁芯的尺寸。磁材的饱和磁通密度限制了峰值工作磁通密度或被磁材的损耗所限制。在选择磁材、工
作磁通密度和决定磁芯的尺寸之后，法拉第定理（下面讨论）用于计算匝数N。最后选择磁导率以满足电感的需要。
L=电感nH
=有效磁路长度cm
Ae=有效磁芯面积cm2
图11正常和增量磁导率
宽范值的磁导率经常能满足不同的电感需要。
安培定理（也在下面讨论）所给的峰值磁化强度H，是建立在匝数、峰值磁化电流（电感总电流和变压器原方的空载电流）和磁芯磁路长度的基础上的。如图11见到那样，在设计过程开始选择磁导率时，要设置与峰值磁通密度值相应的直流磁磁化强度H。对于铁镍钼（MPP），对于所给的磁磁化强度H，下面图12的选择曲线将给出产生最大电感的磁导率。
图11正常和增量磁导率
宽范值的磁导率经常能满足不同的电感需要。
安培定理（也在下面讨论）所给的峰值磁化强度H，是建立在匝数、峰值磁化电流（电感总电流和变压器原方的
空载电流）和磁芯磁路长度的基础上的。如图11见到那样，在设计过程开始选择磁导率时，要设置与峰值磁通密度值
相应的直流磁磁化强度H。对于铁镍钼（MPP），对于所给的磁磁化强度H，下面图12的选择曲线将给出产生最大电感
的磁导率。
图13典型铁镍钼磁芯的增量磁导率和直流偏置曲线
3.5、磁通密度和法拉第定理
磁通密度（B）的水平会影响磁芯损耗和磁导率。除非另有提示，手册中的数据是对正弦波和最大（峰值）磁
通密度的。可用法拉第定理表示：
Bmax: 最大（峰值）磁通密度(高斯)
ERMS:绕组端正弦电压的均方根值（Vrms）
N:匝数
Ae:磁芯有效矩形截面积（cm）
f: 正弦电压频率
有效面积被认为是磁芯的全部截面积，见图14。但被磁渗透所占有的面积小于有效面积，是由于磁导率的减小而减小的
。对于不同的磁导率，手册数据有效包括了来自更小的磁渗透面积。
除此之外，Bmax是在磁芯截面积上的平均最大磁通密度。这个磁通密度是朝内径方向产生的，并朝外径方向减小见安培定理，在下面将会描述。
3.10、附“高强度镀层磁导线规格表”
以上译自（美）GROUP ARNOLD公司铁氧体磁芯手册
开关电源变压器共模电感设计注意事项 在电源变压器的设计过程中，工程师们需要严格的计算并完成共模电感设计和数值选取，这直接关系到开关电源变压器的运行精度。在今天的文章中，我们将会就开关电源变压器的共模电感设计展开简要分析，看在电源变压器共模电感设计和计算过程中，都应该注意哪些问题。 在电源变压器的设计和制作过程中，工程师所要进行的共模电感设计，其所需要的基本参数主要有三个，分别是输入电流，阻抗及频率，磁芯选取。先来看输入电流。这一参数值直接决定了绕组所需的线径。在线径的计算和选取时，电流密度通常取值为400A/cm³, 但此取值须随电感温升的变化。通常情况下，绕组使用单根导线作业，这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。 在计算过程中，开关电源变压器共模电感的阻抗在所给的频率条件下，一般规定为最小值。串联的线性阻抗可提供一般要求的噪声衰减。但实际上，线性阻抗问题往往是最容易被人忽视的，因此设计人员经常以50W线性阻抗稳定网络仪来测试共模电感，并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法。但所得的结果与实际通常有相当大的差别。实际上，共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB 衰减（角频是共模电感产生-3dB）的频率此角频通常很低，以便感抗能 够提供阻抗。因此，电感可以用这一公式来表达，即：Ls=Xx/2 n f
这里还有一个问题需要工程师需要注意，那就是在进行共模电感设计时须注意磁芯材料和所需的圈数问题。首先来看磁芯型号的选取问题，此时如果有规定电感空间，我们就按此空间来选取合适的磁芯型号，如没有规定，通常磁芯型号的随意选取。 在确定了电源变压器的磁芯型号之后，接下来的工作就是计算磁芯所能绕最大圈数。通常来说，共模电感有两绕组，一般为单层，且每绕组分布在磁芯的每一边，两绕组中间须隔开一定的距离。双层及堆积绕组亦有偶尔使用，但此种作法会提高绕组的分布电容及降低电感的高频性能。由于铜线的线径已由线性电流的大小所决定，内圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来。故最大圈数的就可以铜线加绝缘的线径及每个绕组所占据的圆周来计算。
EMI滤波电感设计 EMI滤波器 正常工作的开关类电源（SMPS）会产生有害的高频噪声，它能影响连接到相同电源线上的电子设备像计算机、仪器和马达控制。用一个EMI滤波器插入电源线和SMPS之间能消除这类干扰（图1）。一个差模噪声滤波器和一个共模噪声滤波器能够串联或在许多情况下单独使用共模噪声滤波器。 图1 EMI滤波器的插入 一、共模电感设计 在一个共模滤波器内，电感的每一个绕阻和电源输入线中的任一根导线相串联。（对于电源的输入线来讲）电感绕组的接法和相位是这样的，第一个绕组产生的磁通会与第二个绕组产生的磁通相削. 于是，除了泄漏阻抗的小损耗和绕组的直流电阻以外，电感至电源输入线的插入阻抗为另。由于磁通的阻碍，SMPS 的输入电流需要功率，因此将通过滤波器，滤波器应没有任何明显的损耗。 共模噪声的定义是出现在电源输入线的一根或二根导线上的有害电流通过电感的地返回噪声源的噪声。 此电流要视共模电感的任何一个或二个绕组的全部阻抗，因为它不能被返回的电流所抵消。共模噪声电压是电感绕组上的衰减，应从有害噪声中保持电源输入线的畅通。 1.1、选择电感材料 开关电源正常工作频率20KHz以上，而电源产生的有害噪声比20KHz高，往往在100KHz～50MHz之间。 对于电感来讲，大多数选择适当和高效费比的铁氧体，因为在有害频带内能提供最高的阻抗。当看到公共参数如磁导率和损耗系数就去识别材料是困难的。图2给出铁氧体磁环J-42206-TC绕10匝后的阻抗ZS和频率的关系曲线。 图2铁氧体磁环的阻抗和频率的关系 在1～10MHz之间绕组到达最大阻抗，串联感抗XS和串联电阻RS（材料磁导率和损耗系数的函数）共同产生总阻抗Zt。
第一章开关电源电路—EMI滤波电路原理 滤波原理：阻抗失配；作为电感器就是低通（更低的频率甚至直流能通过）高阻（超过一定频率后就隔断住难于通过）（或者是损耗成热消散掉），因此电感器滤波靠的是阻抗 Z=(R^2+(2ΠfL)^2)^1/2。也就是分成两个部分，一个是R涡流损耗，频率越高越大，直接把杂波转换成热消耗掉，这种滤波最干净彻底；一个是2ΠfL 这部分是通过电感量产生的阻挡作用，把其阻挡住。实际都是两者的结合。但是要看你要滤除的杂波的频率，选择合适的阻抗曲线。因为电感器是有截止频率的，超过这个频率就变成容性，也就失去电感器的基本特性了，而这个截止频率和磁性材料的特性和分布电容关系最大，因此要滤波更高的频率的干扰，就需要更低的磁导率，更低的分布电容。因此一般我们滤除几百K以下的共模干扰，一般使用非晶做共模电感器，或者10KHZ以上的高导铁氧体来做，这样主要使用阻抗的WL这一方面的特性，主要发挥阻挡作用。电感器滤波器是通过串联在电路里实现。撒旦谁打死多少次顺风车安顺场。 因此：共模滤波电感器不是电感量越大越好主要看你要滤除的共模干扰的频率范围。先说一下共模电感器滤波原理共模电感器对共模干扰信号的衰减或者说滤除有两个原理,一是靠感抗的阻挡作用,但是到高频电感量没有了，然后靠的是磁心的损耗吸收作用;他们的综合效果是滤波的真实效果。当然在低频段靠的是电感量产生的感抗.同样的电感器磁心材料绕制成的电感器,随着电感量的增加,Z阻抗与频率曲线变化的趋势是随着你绕制的电感 器的电感量的增加,Z 阻抗峰值电时的频率就会下降,也就是说电感量越高所能滤除的共模干扰的频率越低,换句话说对低频共模干扰的滤除效果越好,对高频共模信号的滤除效果越差甚至不起作用。这就是为什么有的滤波器使用两级滤波共模电感器的原因一级是用低磁导率(磁导率7K以下铁氧体材料甚至可以使用1000的NiZn材料) 材料作成共模滤波电感器,滤出几十MHz或更高频段的共模干扰信号,另一级采用高导磁材料(如磁导率10000\15000 的铁氧体材料或着非晶体材料)来滤除1MHz以下或者几百kHz的共模干扰信号。因此首先要确认你要滤除共模干扰的频率范围然后再选择合适的滤波电感器材料. 电容的阻抗是Z=-1/2ΠfL那么也就是频率越高阻抗绝对值越小，那么就是高通低阻，就是频率越高越能通过，所以电容滤波是旁路，也就是采用并联方式，把高频的干扰通过电容旁路给疏导回去。
EMI滤波器结构与分类 一、LC滤波器（也称无源滤波器） LC滤波器是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波。 按滤波器的电抗元件结构区分，有T、L、π型滤波器。 选取的基本出发点是：用滤波器的电感与低的源阻抗或者负载阻抗串联，用滤波器的电容器与一个高的负载阻抗或源阻抗并联。以此保证阻抗最大失配的条件下，使滤波网络实际工作时，即有较大的插入损耗，又有最大的反射损耗，从而实现对EMI 信号的有效抑制。这样，EMI滤波器中的LC电路仍可以维持其谐振滤波特性，同时也能够部分补偿或削弱源阻抗和负载阻抗变
动对滤波器特性的影响。 按滤波器的作用区分，有调谐滤波器和高通滤波器。 ①调谐滤波器 调谐滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器，可以滤除某一次(单调谐)或两次(双调谐)谐波，该谐波的频率称为调谐滤波器的谐振频率。 ②高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器，主要包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c型滤波器，用来大幅衰减
低于某一频率的谐波，该频率称为高通滤波器的截止频率。 二、 T 型滤波器(即LCL 滤波器) 采用L 滤波器时，为了减小电流纹波，不得不增加L ，导致滤波器体积增大；采用LC 滤波器，虽然结构和参数选取简单，但无法抑制输出电流中的高频纹波，容易因电网阻抗的不确定性影响滤波效果。三相LCL 滤波器因其高效的滤波效果受到广泛重 视。 ①整流器侧电感L 设计 ,...3,2) ()(max 0==h h i hw h u L ， ②滤波电容C 设计 b sa oe f E P C ω?22*3) (cos 1*-= ③网侧电感Lg 的设计
EMI滤波共模电感设计 正常工作的开关类电源（SMPS）会产生有害的高频噪声，它能影响连接到相同电源线上的电子设备像计算机、仪器和马达控制。用一个EMI滤波器插入电源线和SMPS之间能消除这类干扰（图1）。一个差模噪声滤波器和一个共模噪声滤波器能够串联或在许多情况下 单独使用共模噪声滤波器。 图1 EMI滤波器的插入 在一个共模滤波器内，电感的每一个绕阻和电源输入线中的任一根导线相串联。（对于电源的输入 线来讲）电感绕组的接法和相位是这样的，第一个绕组产生的磁通会与第二个绕组产生的磁通相削. 于是，除了泄漏阻抗的小损耗和绕组的直流电阻以外，电感至电源输入线的插入阻抗为零。由于磁 通的阻碍，SMPS的输入电流需要功率，因此将通过滤波器，滤波器应没有任何明显的损耗。 共模噪声的定义是出现在电源输入线的一根或二根导线上的有害电流通过电感的地返回噪声源的噪声。 此电流要视共模电感的任何一个或二个绕组的全部阻抗，因为它不能被返回的电流所抵消。共模噪声电压是电感绕组上的衰减，应从有害噪声中保持电源输入线的畅通。 1.1、选择电感材料 开关电源正常工作频率20KHz以上，而电源产生的有害噪声比20KHz高，往往在100KHz～50MHz之间。 对于电感来讲，大多数选择适当和高效率比的铁氧体，因为在有害频带内能提供最高的阻抗。当看到公共参数如磁导率和损耗系数就去识别材料是困难的。图2给出铁氧体磁环J-42206-TC绕10匝后的阻抗ZS和频率的关系曲线。 图2铁氧体磁环的阻抗和频率的关系
在1～10MHz之间绕组到达最大阻抗，串联感抗XS和串联电阻RS（材料磁导率和损耗系数的函数）共同产生总阻抗Zt。 图3所示为图2中铁氧体材料的磁导率和损耗系数与频率的函数关系。由于感抗引起的下降，导致磁导率在750KHz以上的下降；由于电阻取决高频的源阻抗所以损耗系数随频率而增加。 铁氧体磁环的磁导率、损耗系数和频率的关系 图3 图4给出三种不同材料的总阻抗和频率的关系 J材料在超过1～20MHz范围内具有高的总阻抗，它最广泛地应用于共模滤波器的扼流圈。在1MHz，W材料阻抗比J材料高20-50％，当低频噪声是主要问题时经常应用J材料；K材料可用于2MHz以上，因为在此频率范围内它产生的阻抗比J材料高直至100％。在2MHz 以上或以下，对于滤波器所要求的规范，J或W是优先的。图4三种不同材料的阻抗和频率的关系。 1.2、磁芯的形状 对于共模噪声滤波器环形磁芯是最普及的，他们不贵、泄漏磁通也低。环形磁芯必须 用手绕制（或在独特的环形绕线机上绕制）。正常情况要用一个非金属的分隔板放置在两 个绕组之间，以及为了和PC板连接，这个绕制器件还需环氧化在印制板的头部。具有附件
开关电源EMI滤波器原理与设计研究 魏应冬，吴燮华 (浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027） 摘要：在开关电源中，EMI滤波器对共模和差模传导噪声的抑制起着显著的作用。在研究滤波器原理的基础上，探讨了一种对共模、差模信号进行独立分析，分别建模的方法，最后基于此提出了一种EMI滤波器的设计程序。 关键词：开关电源；EMI滤波器；共模；差模 0 引言 高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作（从几十kHz到数MHz），形成了EMI（electromagnetic interference）骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，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，避免环形地线，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。除此之外，可以利用EMI滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。 EMI骚扰通常难以精确描述，滤波器的设计通常是通过反复迭代，计算制作以求逐步逼近设计要求。本文从EMI滤波原理入手，分别通过对其共模和差模噪声模型的分析，给出实际工作中设计滤波器的方法，并分步骤给出设计实例。 1 EMI滤波器设计原理 在开关电源中，主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的d v/d t 和d i/d t，因而电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以，传导型电磁环境（EME）的测量，正如很多国际和国家标准所规定，频率范围在0.15～30MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频率高于150kHz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。简言之，EMI滤波器设计可以理解为要满足以下要求： 1）规定要求的阻带频率和阻带衰减；（满足某一特定频率f stop有需要H stop的衰减）；
共模电感设计 选择共模滤波电感规格不是一件困难和令人困惑的事情。用一个标准滤波器平面图可以用来实现一个相对简单直接的设计过程。预设的平面模型滤波器元件参数很容易被修改，从而,达到符合设计要求。 常规共模电感 线性滤波器防止过度的噪声从AC线传导到正在工作的电子设备。通常ＡC线为防护的重点。 图示－1所示,共模滤波器与AC线之间接阻抗匹配电路，后面再接开关变换器。共模噪声（大地为参考在两根线上同时产生的噪声大小相等方向相同)的方向是从负载流向滤波器，流向两条AC线上的共模噪声已经被充分地衰减了。其结果是从滤波器输出到AＣ线的共模噪声经过阻抗匹配电路衰减得非常微弱了。 共模滤波器的设计本质上是设计两个相同的差分滤波器，每个分别作用于同一个磁心,两边耦合的是两个极性一致的电感。对于一个差分输入电流(从(A)到(Ｂ)通过Ｌ１和从(B)到(A)通过L2),两电感间的磁通(大小相等方向相反)耦合为零。 任何电感通过差模信号时,两个扼流圈未能耦合。它们作为独立的元件，只有漏感响应差模信号：这个漏感会衰减差模信号。 当电感L1和Ｌ2,通过相对于大地方向相同的完全一样的信号（共模型号）,每个扼流圈在同一个磁心上出力的是非零磁通。对于共模信号电感作为独立的元件运行相互间产生互感:互感的作用使共模信号变弱。
第一阶滤波器 最简单、最昂贵的滤波器设计是一阶滤波器。这种类型的滤波器采用单一的电抗结构存储某一频率段的能量,使这些能量未能传递出去。就一个低通共模滤波器来说,一个共模电感的电抗元件会被采用。 所要求扼流圈的电感量可以简单地采取负载电阻除以衰减频率（包含以上频率）的角频率。譬如，要衰减40０0Ｈz以上的频率到50Ω的负载里面需要一个１.99mH(5０/（2π×４000) )的电感。由此产生共模滤波器结构如图示-3： 在4000Hz的衰减将是３ｄB,并以6dＢ每倍频程增加。因为主要的电感依赖的一阶滤波器，实际变化中，扼流圈电感是必须被考虑的。例如，正常电感测量误差为±20％，那个在４000Hｚ频率名义上的3dB，实际衰减得频率范围从３332Hｚ到499９Ｈz。这是共模电感的典型电感值被指定的一个最低要求，从而保证这个交叉频率不被改变太高。然而，一些情况应该观察到选择扼流圈作一阶低通滤波器可能限制阻塞一些有用的衰减,因为用了一个较高于典型值或极小值的电感。 二阶滤波器 一个二阶滤波器使用了两个电抗部分。比第一阶滤波器有两个优势：⑴理论上，在截点频率以后,一个二阶滤波器有１2ｄB每倍频程(4倍于一阶滤波器）的衰减量。⑵在电感谐振频率以上提供了更大的衰减。（参见图示-4)
开关电源EMI滤波器的设计 要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减特性，设计与开关电源共模、差模噪声等效电路端接的EMI滤波器时，就要分别设计抗共模干扰滤波器和抗差模干扰滤波器才能收到满意的效果。 1．抗共模干扰的电感器的设计 电感器是在同一磁环上由两个绕向与匝数都相同的绕组构成。当信号电流在两个绕组流过对，产生的磁场恰好抵消，它可几乎无损耗地传输信号。因此，共模电流可以认为是地线的等效干扰电压Ug所引起的干扰电流。当它流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，电感器对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制地线干扰的作用。电路如图1所示。 信号源至负载RL连接线的电阻为Rcl、Rc2，电感器自感为L1、L2，互感为M，设两绕组为紧耦合，则得到L1＝L2＝M。由于Rc1和RL串联且Rc1＜＜RL，则可以不考虑Vg，Vg 被短路可以不考虑Vg的影响。其中（Is是信号电流，Ig是经地线流回信号源的电流。由基尔霍夫定律可写出：
式（2）表明负载上的信号电压近似等于信号源电压，即共模电感传输有用信号时几乎不引入衰减。由（1）式得知，共模千扰电流Ig随f：fc的比值增大而减小。当f：fc的比值趋于无穷时，Ig=0，即干扰信号电流只在电感器的两个绕组中流过而不经过地线，这样就达到了抑制共模干扰的作用。所以，可以根据需要抑制的干扰电压频率来设置电感器截止频率。一般来说，当干扰电压频率f≥5fc时，即Vn：Vg≤0.197，就可认为达到有效抑制地线中心干扰的目的。 2．抗差模干扰的滤波器设计 差模干扰的滤波器可以设计成Π型低通滤波器，电路如图2所示。这种低通滤波器主要是设置电路截止频率人的值达到有效地抑制差模传导干扰的目的。
EMI电源滤波器基本知识介绍 电磁干扰（EMI）电源滤波器（以下简称滤波器）是由电感、电容组成的无源器件。实际上它起两个低通滤波器的作用，一个衰减共模干扰另一个衰减差模干扰。它能在阻带（通常大于10KHz）范围内衰减射频能量而让工频无衰减或很少衰减地通过。EMI电源滤波器是电子设备设计工程师控制传导干扰和辐射电磁干扰 的首选工具 （一）EMI电源滤波器部分技术参数简介 插入损耗 滤波器的插入损耗是不加滤波器时从噪声源传递到负载的噪声电压与接入滤波器时负载上的噪声电压之比。插入损耗衡量EMI电源滤波器电性能的重要参数，用下式表示：Eo IL＝20log--- E 式中:Eo------不加滤波器时，负载上的干扰噪声电平。 E------接入滤波器后，同一负载上的干扰噪声电平。 干扰方式有共模干扰和差模干扰两种，其定义为：共模干扰：叠加于火线（P）、零线（N）和地线（E）之间的干扰电压。 差模干扰：叠加于火线（P）和零线（N）之间的干扰电压。 因此插入损耗又分为共模插入损耗和差模插入损耗，插入损耗的测试原理图 如下：
泄漏电流：滤波器的泄漏电流是指在250VAC的电压下，火线和零线与外壳间流过的电流。它主要取决于滤波器中的共模电容。从插入损 耗考虑，共模电容越大，电性能越好，此时，漏电流也越大。但从安全方面考虑，泄漏电流又不能过大，否则不符合安全标准要求。尤其是一些 医疗保健设备，要求泄漏电流尽可能小。因此，要根据具体设备要求来确定共模 电容的容量。泄漏电流测试电路如下所示 耐压测试 为确保（交流）电源滤波器的质量，出厂前全部进行耐压测试。测试标准为： 火线与地线（或零线与地线）之间施加频率为50Hz的1500VAC高压，时 间一分钟，不发生放电现象和咝咝声。 火线与零线之间施加1450V直流高压，时间一分钟，不发生放电现象和咝 咝声 （二）EMI电源滤波器的选用 根据设备的额定工作电压、额定工作电流和工作频率来确定滤波器的类型。滤波器的额定工作电流不要取的过小，否则会损坏滤波器或降低滤波器的寿命。但额定工作电流也不要取的过大，这是因为电流大会增大滤波器的体积或降低滤波器的电性能，为了既不降低滤波器的电性能，又能保证滤波器安全工作，一般按设备额定电流的1.2倍来确定滤波器的额定工作电流。 根据设备现场干扰源情况，来确定干扰噪声类型，是共模干扰还是差模干扰，这样才能有针对性的选用滤波器。如不能确定干扰类型，可通过实际试探来确定
1. 滤波电感的设计 在全桥逆变器中，输出滤波电感是一个关键性的元件，并网系要要求在逆变器的输出侧实现功率因数为1，波形为正弦波，输出电流与网压同频相同。因而，电感值选取的合适与否直接影响电路的工作性能。对电感值的选取，可以从以下两个方面来考虑： ① 电流的波纹系数 输出滤波电感的值直接影响着输出纹波的大小，由电感的基本伏安关 系dt Ldi V /=可得：dt t i Ton f i L v ?=?0 )( （5-14） 其中)(t v l 电感两端电压，考虑到当输出电压处于峰值附近，即 V v N o t max )(=时，输出电流波纹最大，设此时开关周期为T ，占空比为 D,则有下式： L V f N i max =? （5-15） 另外，根据电感的伏秒平衡原理，我们可以得到， T D DT V V V N dc N )1)((max max --= （5-16） 于是求得， V V V dc N dc D max -= （5-17） 从（5-15）、（5-16）式可得， V V V V L dc N dc N f i T ?-=)(max max （5-18）
在本系统中，,400,5.9,3112202max V A V V I V dc N N ===?=开关管的工作频率,125,8us T kHz f ==取电流波纹系数,15.0=r i 则由式（5-18）计算可： mH L f 1.6400 15.05.910125)311400(3116 ≈????-?=- 因此，要保证实际电流纹,425.115.05.9A i I r N i =?=≤?则滤波器电感满足mH L f 1.6≥。 ②从逆变器的矢量三角形关系可知， V I L V N N f o j +=? （5-19） 于是，它们的基波幅值满足下式 V I L V N N f o 2 2 2 )(+=? （5-20） 由正弦脉宽调制理论可知， V V dc o m = （5-21） 其中，m 为调制比，且,1≤m 从而： V V I L dc N N f 2 22 )(≤+? （5-22） 于是，我们可以得到下式： mH L f 4.375 .95022204002 2=??-≤π 综上，滤波电感的取值范围为mH mH L f 4.361.6≤≤。在实际设计过程中，由于电感的体积、成本等因素的影响，一般只需考虑电感的下限值，即取稍大于下下至即可。另外需要特别指出的是，以上的计算是建立在额定输出电压，即V V N 220=的基础上，考虑到实际情况
切断电磁干扰传输途径——共模、差模电源线滤波器设计 电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源EMI滤波器基本电路如图6所示。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。在图6中CX1和CX2叫做差模电容，L1叫做共模电感，CY1和CY2叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。 共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。L1的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，具体关系参见表1所列。 [4] 实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感了。共模电感的差值电感与电容CX1及CX2构成了一个∏型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。 除了共模电感以外，图6中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1及CY2起作用。电容CY的选择要根据实际情况来定，由于电容CY接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。计算电容CY漏电流的公式是 ID=2πfCYVcY 式中：ID为漏电流； f为电网频率。 一般装设在可移动设备上的滤波器，其交流漏电流应<1mA；若为装设在固定位置且接地的设备上的电源滤波器，其交流漏电流应<3.5mA，医疗器材规定的漏电流更小。由于考虑到漏电流的安全规范，电容CY的大小受到了限制，一般为2.2～33nF。电容类型一般为瓷片电容，使用中应注意在高频工作时电容器CY与引线电感的谐振效应。 差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路（如图6中电容CX1），只要电容选择适当，就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚底，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足功率线路的耐压等
共模电感设计与案例 很多设计师对于共模电感的设计大多有一种感觉，那就是总觉得共模电感的设计看起来十分简单，但实际操作起来上，又有点复杂。的确共模电感的设计要考虑温度及应力等等因素。 下面我就对于共模电感的设计过程与案例结合起来简单讲讲。 一、设计过程： ①选择磁芯材料（镍锌系和锰锌系） 铁氧体是一个较好的具有成本优势的材料。 ②设定电感的阻抗 对于一个给定的要求衰减的频率，定义此频率下共模电感的感抗为 50~100 Q,即至少50%的衰减，因此有：Z=?L ③选择磁芯的形状的和尺寸
成本低漏感小的环形磁芯非常适合于共模电感，但是这种形状不容 易实现机械化绕制，一般用手工绕制。磁环尺寸的大小选取有一定 的随意性，通常基于PCB的尺寸选取合适的磁芯。为了减小共模电 感的寄生电容，共模电感通常只用单层的线圈。若单层绕制时磁芯 无法容纳所有的线圈，则选用大一号尺寸的磁环。当然也可以基于 磁芯的数据手册由LI的乘积选取。 ④计算线圈的匝数 由磁芯的电感系数AL计算共模电感的圈数：（106 ）0.5 L N = L X A ⑤计算导线的线径 导线允许通过的电流密度选取为：400~800A/cm2，由此可以得到要 求的线径。 二、案例： 在工作频率为10KHZ，输入线性电流为3A（RMS）时，阻抗为100欧的共模电感。1）选取线径 铜线截面积=3A/400A/cm2=0.0075cm2 铜线线径=0.98mm 取铜线线为1.0mm 2）计算最小电感值 512翼血1 x J0000^1.S9rah 3）假如无指定空间，任取一磁芯 内径（ID）=13.72+/-0.38=13.34mm MIN 4）计算内圆周长和最大可绕圈数 内圆周长=3.14 ><13.34-1.08）=38.5mm
共模滤波电感器不是电感量越大越好.主要看你要滤除的共模干扰的频率范围,先说一下共 模电感器滤波原理:共模电感器对共模干扰信号的衰减或者说滤除有两个原理,一是靠感抗 的阻挡作用,但是到高频电感量没有了靠的是磁心的损耗吸收作用;他们的综合效果是滤波 的真实效果.当然在低频段靠的是电感量产生的感抗.同样的电感器磁心材料绕制成的电感器,随着电感量的增加,Z阻抗与频率曲线变化的趋势是随着你绕制的电感器的电感量的增加,Z 阻抗峰值电时的频率就会下降,也就是说电感量越高所能滤除的共模干扰的频率越低, 换句话说对低频共模干扰的滤除效果越好,对高频共模信号的滤除效果越差甚至不起作用. 这就是为什么有的滤波器使用两级滤波共模电感器的原因一级是用低磁导率(磁导率7K以下铁氧体材料甚至可以使用1000的NiZn材料) 材料作成共模滤波电感器,滤出几十MHz 或更高频段的共模干扰信号,另一级采用高导磁材料(如磁导率10000h00的铁氧体材料或着非晶体材料)来滤除1MHz以下或者几百kHz的共模干扰信号. 因此首先要确认你要滤除共模干扰的频率范围然后再选择合适的滤波电感器材料. 共模电感的测量与诊断 电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的 0.5% ～ 4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的。 漏感的重要性 漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙，自然就引起磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。 如果芯体具有差模电感，那么，差模电流就会使芯体内的磁通发生偏离零点，如果偏离太大，芯体便会发生磁饱和现象，使共模电感基本与无磁芯的电感一样。结果，共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样。差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出： 式中，是芯体中的磁通变化量，Ldm是测得的差模电感，是差模峰值电流，n为共模线圈的匝数。
共模滤波器设计指南 简介 选择共模滤波器的元件值不需要很复杂的过程。可使用标准过滤器排列来取得相对简单和直观的设计过程，虽然这些排列可能经过修改以使用预先定义好的元件值。 概述 线路滤波器防止在电子设备和AC线路之间产生过多噪音；一般而言，重点还是对AC 线路的保护。图1显示了在AC线路（通过全阻抗匹配电路）和（噪音）电源转换器之间使用共模滤波器的情况。共模噪音（噪音在接地的两条线路上同时产生）的运动方向是从负载端进入滤波器，这样两个线路共有的噪音得到很大衰减。最后，滤波器加到AC线路（通过全阻抗匹配电路）上的输出小到可以忽略不计。 图1 通用线路滤波 设计共模滤波器必须设计两个相同的差动滤波器。其中每个滤波器分别对应两极的线路，而每一边的感应器分别耦合一个磁芯。 图2 共模感应器 对于差动输入电流（从A到B的输入是沿L1，从B到A是沿L2），两个感应器之间的耦合净磁通量为0。 任何差动信号引起的自感应是两个滤波器耦合不好引起的。滤波器作为独立元件工作，其漏感对差动信号做出响应：漏感衰减了差动信号。 当感应器L1和L2收到接地的同一电极的相同信号，它们都会在共用的磁芯中产生一个非零的净通量。两个感应器于是作为独立元件工作，其共同的自感应对共同的差动信号做出响应：共同的自感应衰减了共同的差动信号。 一阶滤波器 设计最简单、最便宜的滤波器是一阶滤波器。这种滤波器使用单个反应元件来储存波谱能量的特定波段，而不将能量传递到负载。在低通共模滤波器中，使用的反应元件是共模线圈。 滤波器的自感应值是用负载（单位：欧姆）除以信号将衰减时及超过这一水平的角频率。例如，在50欧姆的负载中，当频率达到4000HZ或以上水平时候信号开始衰减，则需要使用1.99mH（50/（2π×4000））的感应器。其相应的共模滤波器配置如下图： 图3 一阶（单极）共模滤波器 频率达到4000HZ时，衰减量为3dB，每增加8HZ，衰减6dB。由于最主要的感应器对一阶滤波器的依赖性，因此必须考虑线圈自感应的变动。例如，额定自感应值变动±20%意味着名义33dB，4000HZ的频率其实际范围在3332-4999HZ。典型做法是规定共模滤波器的自感应值为最小值，这样就保证了交叉频率不会升得太高。但是，在选择一阶低通滤波器的线圈时要加以注意，因为比典型和最小值高得多的自感应值可能限制线圈可使用的衰减波段。
摘要：开关电源中常用EMI滤波器抑制共模干扰和差模干扰。三端电容器在抑制开关电源高频干扰方面有良好性能。文中在开关电源一般性能EMI滤波器电路结构基础上，给出了使用三端电容器抑制高频噪声的滤波器结构。并使用PSpice软件对插入损耗进行仿真，给出了仿真结果。 1 开关电源特点及噪声产生原因 随着电子技术的高速发展，电子设备种类日益增多，而任何电子设备都离不开稳定可靠的电源，因此对电源的要求也越来越高。开关电源以其高效率、低发热量、稳定性好、体积小、重量轻、利于环境保护等优点，近年来取得快速发展，应用领域不断扩大。开关电源工作在高频开关状态，本身就会对供电设备产生干扰，危害其正常工作；而外部干扰同样会影响其正常工作。 开关电源干扰主要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形。这些波形的电流泄漏到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声，泄漏到输出部位就形成了波纹问题。考虑到电磁兼容性的有关要求，应采用EMI电源滤波器来抑制开关电源上的干扰。文中主要研究的是开关电源输入端的EMI滤波器。 2 EMI滤波器的结构 开关电源输入端采用的EMI滤波器是一种双向滤波器，是由电容和电感构成的低通滤波器，既能抑制从交流电源线上引入的外部电磁干扰，还可以避免本身设备向外部发出噪声干扰。开关电源的干扰分为差模干扰和共模干扰，在线路中的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰是火线与零线之间产生的干扰，共模干扰是火线或零线与地线之间产生的干扰。抑制差模干扰信号和共模干扰信号普遍有效的方法就是在开关电源输入电路中加装电磁干扰滤波器。EMI滤波器的电路结构包括共模扼流圈(共模电感)L，差模电容Cx和共模电容Cy。共模扼流圈是在一个磁环(闭磁路)的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。两个线圈的磁通方向一致，共模干扰出现时，总电感迅速增大产生很大的感抗，从而可以抑制共模干扰，而对差模干扰不起作用。为了更好地抑制共模噪声； 共模扼流圈应选用磁导率高，高频性能好的磁芯。共模扼流圈的电感值与额定电流有关。差模电容Cx通常选用金属膜电容，取值范围一般在0．1～1μF。Cy用于抑制较高频率的共模干扰信号，取值范围一般为2200～6800 pF。常选
开关电源中的EMI 滤波电感设计 普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士 开关电源中的功率变换器工作于高频开关方式，其输入线上的电流含有高频分量，这些高频分量对接在同一供电处的其它电子设备会产生干扰，严重时可能导致其它电子设备的正常工作，为此国际上专门制订了相关的EMI 标准，来限制各种电子设备对外产生的辐射与传导噪声。其中最常用的传导EMI 标准有CISPR22、VDE 和FCC ，通过测试电子设备的传导EMI 来判断其是否满足相应的EMI 标准。图1是测试开关电源传导EMI 的线路图，其中供 电电源既可以是直流，也可以是交流，图中为交流。LISN 为测试EMI 的阻抗匹配网络， uH L L 5021==，uF C C 1.021==，?==5021R R ，这个网络对于输入的低频分量，其1L 、 2L 可看作短路，1C 、2C 可看作开路，所以不影响输入到输出的功率传递；对于蓝色框内开 关电源所产生的高频分量，其1L 、2L 可看作开路，1C 、2C 可看作短路，因此开关电源输入线（线1和线2）上的高频电流分量将完全流过1R 、2R ，再将1R 、2R 上的电流信号用频谱分析仪进行测试，就可获得每一根输入线上的电流信号频谱，这些电流信号频率也被叫作传导EMI 噪声频谱，1R 、2R 就是测试传导EMI 的等效负载。 利用传导EMI 的的测试线路，可以将不加EMI 滤波器时的开关电源，所产生的噪声用图2(a)的电路等效，如果再将不加EMI 滤波器的开关电源在高频段用一个噪声电压源和三个噪声阻抗表示的话，则图2(a)的电路可以进一步用图2(b)来等效。由图2(b) 可知，产生传导EMI
一、初识共模电感 共模电感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。 图1 各种CMC 小知识：EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰) 计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路，它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰，这就是EMI。EMI还会通过主板布线或外接线缆向外发射，造成电磁辐射污染，不但影响其它的电子设备正常工作，还对人体有害。 PC板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象，也是一个电磁干扰源。总的来说，我们可以把这些电磁干扰分成两类：串模干扰(差模干扰)与共模干扰(接地干扰)。以主板上的两条PCB走线(连接主板各组件的导线)为例，所谓串模干扰，指的是两条走线之间的干扰；而共模干扰则是两条走线和PCB地线之间的电位差引起的干扰。串模干扰电流作用于两条信号线间，其传导方向与波形和信号电流一致；共模干扰电流作用在信号线路和地线之间，干扰电流在两条信号线上各流过二分之一且同向，并以地线为公共回路，如图1-1所示。
图2是我们常见的共模电感的内部电路示意图，在实际电路设计中，还可以采用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰。此外，在主板上我们也能看到一种贴片式的共模电感(图3)，其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的。 图4 贴片CMC 二、从工作原理看共模电感 为什么共模电感能防EMI？要弄清楚这点，我们需要从共模电感的结构开始分析。 图5 共模电感滤波电路 图4是包含共模电感的滤波电路，La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。 事实上，将这个滤波电路一端接干扰源，另一端接被干扰设备，则La和C1，Lb和C2就构成两组低通滤波器，可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号，能有效地降低EMI干扰强度。 小知识：漏感和差模电感
LC滤波电路 LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要； 无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。\ LC滤波器的适用场合 无源LC电路不易集成，通常电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时应采用LC电路。 有源滤波器适用场合 有源滤波器电路不适于高压大电流的负载，只适用于信号处理， 滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。 经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路 电容滤波电路电感滤波电路作用原理 整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。 常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。 脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值／输出电压的直流分量 半波整流输出电压的脉动系数为S=1．57，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O．67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动
直流电源EMI滤波器的设计原则、网络结构、参数选择 1设计原则——满足最大阻抗失配 插入损耗要尽可能增大，即尽可能增大信号的反射。设电源的输出阻抗和与之端接的滤波器的输人阻抗分别为ZO和ZI，根据信号传输理论，当ZO≠ZI时，在滤波器的输入端口会发生反射，反射系数 p＝（ ZO－ ZI）／（ ZO＋ ZI） 显然，ZO与ZI相差越大，p便越大，端口产生的反射越大，EMI信号就越难通过。所以，滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态，使EMI信号产生反射。同理，滤波器输出端口应与负载处于失配状态，使EMI信号产生反射。即滤波器的设什应遵循下列原则：源内阻是高阻的，则滤波器输人阻抗就应该是低阻的，反之亦然。 负载是高阻的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻的，反之亦然。 对于EMI信号，电感是高阻的，电容是低阻的，所以，电源EMI滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则： 如果源内阻或负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的。 如果源内阻或负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。 2 EMI滤波器的网络结构 EMI信号包括共模干扰信号CM和差模干扰信号DM，CM和DM的分布如图1所示。它可用来指导如何确定EMI滤波器的网络结构和参数。 EMI滤波器的基本网络结构如图2所示。 上述4种网络结构是电源EMI滤波器的基本结构，但是在选用时，要注意以下的间题： l）双向滤波功能——电网对电源、电源对电网都应该有滤波功能。 2）能有效地抑制差模干扰和共模干扰——工程设计中重点考虑共模干扰的抑制。 3）最大程度地满足阻抗失配原则。
几种实际使用的电源EMI滤波器的网络结构如图3所示。 3电源EMI滤波器的参数确定方法 a）放电电阻的取值 在允许的情况下，电阻取值要求越小越好，需要考虑以下情况： 第一，电阻要求采用二级降额使用，保证可靠性。降额系数为0.75 V，0. 6 W。根据欧姆定律可求出n＞（0.75Ve）2／（0.6 Pe）。 第二，经过雷击浪涌后有残压，其瞬时值一般在1000 V取值；其瞬时功率值不能超过额定功率值的4倍，也可求出R＞(Vcy)2／（4Pe）。 两者综合考虑取R值，一般情况下，电阻R的取值为75－200 K之间。功率为2－3 W。金属模电阻。 b）Cx电容的取值 在允许的情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，一般情况下，要求取值在l－5uf之间（对每个电容）。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V／s时不损坏，按二级降额的原则选取，取值在275 V，频率特性与电容的取值有关，取值越小，频率特性越好。