EMI电源滤波器的设计和研究

1、中图分类号：学校代码：密级：公开北京交通大学作者姓名：王丽导师姓名：张小青学位类别：工学学科专业：电力电子与电力传动硕士学位论文电源滤波器的设计和研究学号：职称：教授学位级别：硕士研究方向：滤波器的设计和研究北京交通大学年月中文摘要摘要：随着开关电源类产品的日益增多，电磁兼容设计成为开关电源开发过程中至关重要的一个环节，相应的电磁兼容标准也成为开关电源类产品必须满足的性能指标。高频开关电源是严重的电磁干扰源，很多情况下需对其安装电源滤波器。传统的滤波器设计方法计算繁琐、设计过程复杂、研发时间长。为了提高滤波器性能和缩短开发时间，本文针对开关电源介绍了一种简单且效果良好的滤波器设计方法。本文在阐

2、述开关电源电磁干扰基本特点的基础上，提出了电源传导加固技术。文中阐述了电源滤波器的基本原理、拓扑结构、设计原则和滤波器件的高频特性，分析了网络理论及其在电源滤波器设计中的应用。本文以某一航空产品中的开关电源项目为依托，设计电源滤波器。通过了解开关电源需要满足的电磁兼容标准，测试分析其电磁干扰信号特点，提出滤波器性能指标。利用网络理论设计分析滤波电路，通过编程实现对滤波电路参数的设计。建立滤波器插入损耗仿真模型，编写仿真程序，对设计结果进行分析，最后通过实际测试，验证设计方法的正确性。同时，在电源滤波器设计的基础上，对滤波器进行了拓展功能的电路设计，主要针对开关动作所引起的浪涌电压。通过讨论应用

3、于电源滤波器中的软磁铁氧体材料的特性，提出了铁氧体磁芯的选择原则和应用方法，同时讨论了主要滤波器件的选择和设计。深入研究电源滤波器在工程设计中的关键技术及滤波器封装技术，并提出封装过程测试方法及工程应用时安装使用应注意的主要问题。关键词：网络理论；电源滤波器；插入损耗；开关电源分类号：请输入分类号（），以分号分隔。量塞銮道厶堂亟堂篮堕辽一：（，（），锄（）：，：；：请输入分类号，以分号分隔。韭塞褒蕉鑫兰亟囊璺焦监塞致谢我的论文是在导师张小青教授的悉心指导下完成的。张老师丰甯的专业知识、严谨耱治擎态度、实攀求是熬学术终菇帮兢兢蝗塑黪工筝耪耱绘我錾下深裂耱印象。在张老师的影响和熏陶下，我明白了许多

4、为人处事的道理，激励着我在今厝的工作、学习中不断的进取，斑好人生的缚一步。在此，谨向张老师表示衷心鹃惑嚣。在攻读硕士学位期间，得到北京理工大学区健昌教授指点疑惑，点明方向，使我终生受益匪浅，在此深表感谢。在乎辩瓣学习生滔中褥鬟弱实验室王浇辫、震春华、王芳、警鞠等弱学豹支持，给我提供了许多帮助，在此向他们表示衷心的感谢。最后，我要深深的感谢我的家人对我一贯的理解和支持，他们的爱是我学习捧孛豹苓游动力。引言研究背景及意义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。然而，随着开关电源类数字电路的普及和发展，电气电子设备辐射和泄漏的

5、电磁波严重干扰了其他电气电子设备的正常工作，成为一种无形的污染。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备问的相互干扰，营造良好的电磁工作环境，世界各国都制定了各自的电磁兼容标准，以利于设备相互问的工作协调，如国际电工委员会的及系列标准、欧共体的系列标准、美国联邦通信委员会的系列标准、北美标准等等。我国现行的系列电磁兼容标准主要是参照修订的。因此，开关电源电磁兼容问题的研究是十分必要的。一般来说，电磁兼容性（，）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力【】。具体包括以下两方面的含义：（）电子设备

6、或系统内部（包括部件和子系统）在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。（）设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平，电磁干扰不对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。电磁干扰（，）的构成有三个要素：干扰源、噪声的耦合路径及被干扰设备【】因此，电磁兼容要解决的主要问题是：削弱干扰源的能量，隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰能量主要通过辐射性耦合和传导性耦合进行传输。屏蔽、滤波和接地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空问的辐射发射途径，滤波用于切断通过导线的传导发射途径，而接地的好坏则直接影响到设备

7、内部和外部的电磁兼容性。众多实践经验表明，在电气电子新产品的设计阶段，电磁兼容性考虑得越早，问题越简单，解决问题所需要的成本也越低，否则越是到后面阶段，可以用来抑制噪声、防止受干扰的手段越少，为此所付出的代价也越高。图形象的说明了这一关系。因此，为了保证开关电源的电磁兼容性，在新产品的设计阶段就应当丞銮遁厶堂亟堂位迨塞首先进行电磁兼容的测试和评估。瞒本与技术开发时同图电磁兼容设计成本和技术手段在研发各阶段的关系近年来，在电力电子技术大力发展的同时，人们在开关电源的电磁兼容性研究过程中普遍遇到的一个技术难题就是传导干扰问题。传导干扰主要包括设备信号线传导干扰、接地线共地阻抗干扰以及电源线传导干扰

8、，其中电源线上的传导干扰危害最大，抑制环节也最为薄弱。公司的一项研究表明，一台普通计算机装置每月都会遭受多次电源干扰，它包括停电、电压不稳、尖峰信号、浪涌和线路噪声等。在严重威胁设备安全可靠工作的起因中，是来自电源中的脉冲干扰和振荡瞬变，它们是电源干扰的主要成分【】。因此，一般在电源输入端口都要安装电源滤波器，主要有两个目的，其一是抑制经电源线进入敏感设备或系统的电磁干扰；其二是抑制设备或系统自身的传导发射。通常，电源滤波器受电源模块体积所限，无法选取更复杂的拓扑结构和更大的元器件参数，因此电源滤波器设计需要尽早考虑。国内外研究现状在电磁兼容性设计方面欧美等国家起步较早，发展很快。早在上世纪年

9、代就已经提出了电磁兼容概念，年代，出现了电磁兼容的计算机辅助分析，年代以后，电磁兼容的分析预测性设计逐渐发展并且得到应用，研制了大量不同规模的电磁兼容分析预测软件，同时建立了相应的电磁兼容标准和规范，形成了一整套完整的电磁兼容体系。我国由于过去经济基础比较薄弱，电磁兼容的矛盾不突出，所以起步较晚、水平较低，大多停留在被动的或半主动的解决电磁干扰问题阶段。在年代，国内一些单位特别是军品单位在实际工作中遇到了电磁兼容问题，开始引起重视。年代成立了全国无线电干扰标准化技术委员会，研究和制定了一些电磁兼容标准。随着电磁兼容热的迅速升温，国内的一些科研单位、大学也逐渐建立了电磁兼容实验室，进行电磁兼容的

10、检测和认证及电磁环境的测试和评估工作。我国在电磁兼容分析预测方面也作了不少努力，一些系统内、系统问的小规模针对性的电磁兼容分析预测软件已研制出来，如航天部开发的软件。目前电磁兼容在军用产品中应用相当广泛，在民用产品中也越来越受到重视。在此期间，滤波技术作为电磁兼容控制的关键技术，也得到了迅速的发展。滤波器作为滤波技术的载体之一，在国内外研究人员的努力下，其设计理论不断发展。在年提出一种图表方法，通过事先绘制成的滤波器插入损耗分析列线图设计单级型或型滤波器【”。年，在其专著中发展了这一方法，考虑滤波器件高频特性对列线表的影响，并且这一方法不再局限于单级滤波器（。提出了另一种方法，根据设计阻抗和插

11、入损耗要求选取滤波网络，估算元件参数，然后不断的校核分析滤波器插入损耗，修正元件参别“。这些设计方法分析过程繁杂，校核运算量都很大。在上述理论设计方法的指导下，近年来又出现了一些新的设计方法。文献【】提供了一种滤波元件数值的计算方法，它以输入阻抗、输出阻抗、电磁兼容标准、正常工作时流过滤波器的电流等作为初始条件，引入滤波器设计阻抗和截止频率的概念，根据截止频率、电磁兼容标准及选取的滤波器电路形式计算得出滤波元件值。这种设计方法简单快捷，但是没有考虑到元器件的高频特性及共模电感磁芯的性质，实际制作通常达不到预期的目标。文献提出一种连续正交阵列（）方法，无需分离共模和差模噪声信号，直接设计整个滤波

12、器。而且能够保证较高的功率因数（）。但是如果滤波器的拓扑结构复杂一些，其运算量相当大。文献【】采用平面电磁综合技术（），通过减小等效串联电感和等效并联电容，提高滤波器高频特性，最后利用二维有限元（）软件验证滤波器结构。本文综合前人对电源滤波器的研究方法，应用网络理论建立滤波器设计及分析仿真模型，考虑器件高频分布参数、器件的不同选择及外部环境对滤波器性能的影响，编制了滤波器电感设计软件和插入损耗仿真分析软件，从而极大简化了滤波电感元件和滤波器的设计过程。本文主要工作根据电源滤波器的研究需要，本文主要做了一下几方面的工作：塞銮道盔堂亟堂位论塞（）概述电磁兼容的定义、电磁兼容设计的主要任务和目前国内

13、外电磁兼容设计的研究情况。陈述国内外电源滤波器发展历史和现状以及一些主流设计方法的优缺点。（）讨论电源滤波器的特点及开关电源信号类型，并给出滤波器电路结构选取原则。应用网络理论分析电源滤波器，讨论相关网络参数与滤波器插入损耗的关系。（）分析滤波电感、滤波电容的高频电路模型及高频特性。（）根据电源滤波器的设计规范，选定滤波电路结构，建立滤波器的共模及差模等效电路模型。（）分析开关电源产生的干扰，确定插入损耗指标，编制电感设计软件和滤波器分析软件。（）进行滤波电感的设计计算，确定最终电路结构，在分析滤波器高频等效电路的基础上，对电源滤波器共模及差模插入损耗进行理想和高频状态仿真分析，讨论不同元件参

14、数选择、分布参数模型和测量、使用系统对滤波器频率特性的影响。（）通过实际测试，验证电源滤波器的性能，对仿真分析结果与实际测试结果进行对比分析，验证等效电路模型和滤波器设计方法的合理性。（）对电源滤波器进行拓展功能设计，抑制由开关动作所引起的浪涌电压。（）分析铁氧体磁性材料的主要性质，讨论软磁铁氧体在电源滤波器中的应用。同时讨论滤波电感及电容的器件设计技术。（）讨论电源滤波器工程应用问题，论述其制作封装，安全检测、安装形式及安装注意事项等几方面问题。峦銮适厶堂亟学焦途室里！生涯选这鲞的遮让厦墅！巫垣翅搓盆拯电源滤波器的设计原则及插入损耗分析电源滤波器在电磁兼容设计中，即使是经过很好的设计并具有正

15、确的屏蔽和接地措施的设备，也不能提供完整的电磁干扰防护，仍然会有传导骚扰或传导骚扰发射进出设备，这是因为设备或系统上的电缆是最有效的骚扰接收与发射天线。解决这个问题最有效的方法是在电缆的端口处使用滤波器。滤波器的作用是抑制干扰信号通过，因此它与一般的通信及信号处理中所讨论的信号滤波器相比，具有下列不同特点：（）滤波器在对电磁干扰抑制的同时，能在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗小，保证最大的传输效率。（）滤波器中用的电感、电容元件，必须具有足够大的无功功率容量，同时对元件寄生参数的控制也比较苛刻。（）信号处理中用的滤波器，通常总是按阻抗完全匹配状态设计的，所以可以保证得到预想的滤波特性。但

16、是，在电磁兼容设计中，很难做到这点，有时滤波器不得不在失配状态下运行，因此必须认真考虑其失配特性，以保证滤波器在工作频率范围内有比较高的衰减性能。（）滤波器虽然是抗电磁干扰的重要元件，但是使用时必须仔细了解其特性，并正确使用。否则，不但会失去滤波功能，有时还会导致新的噪声。（）滤波器应该有足够的机械强度、安装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单等优点电源滤波器，又称为电网滤波器、进线滤波器，它是滤波器中的一种，允许直流或工频（、）信号通过，对频率较高的其它信号和干扰信号有较大的衰减作用。通用的电源滤波器可以定义为一个低通网络，它由电感、电容或电阻等无源器件组成。一般可根据其电路形式分为单电

17、阻、单电感、单电容、型、型、型、型等基本电路形式，如图所示，它们是组成电源滤波器的基础哺。电源滤波器的主要性能指标一般包括额定电压、额定电流、插入损耗、漏电流、阻抗匹配，频率特性、物理尺寸及重量、使用环境和滤波器本身的可靠性等。但是在使用时考虑最多的是额定电压及电流值、插入损耗和漏电流。额定电压和额定电流主要是出于安全和性能考虑的。额定电压是输入滤波器的最高允许电压值，主要是保证滤波器在该工作电压；丁？一丁丁丁图基本的电源滤波器下，其内部的电容器、电感线圈以及它们和金属外壳之间的绝缘，在最大峰值电压下，包括浪涌等有害瞬变过程都不出现绝缘破皮现象。滤波器的额定电压一般取最大峰值电压的两倍。额定电

18、流是指在额定电压和规定环境温度条件下。滤波器所允许的最大连续工作电流。额定电流均为工作环境是摄氏度时的额定电流值，在其他环境温度下滤波器的最大工作电流可按下式计算：（一），。一（）其中，是摄氏度的额定电流，是工作环境温度【】。一般环境温度越高允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率有关，工作频率越高，允许电流越小。当滤波器的工作电流超过额定电流时，会造成滤波器过热，使得低频滤波性能下降。因此，在确定滤波器的额定工作电流时要以设备的最大工作电流为准，一般取滤波器的额定电流是实际最大工作电流值的倍左右。插入损耗（，）是从抑制干扰的角度出发，是滤波器最重要的技术参数。具体的内容将在后面的章节中介绍

19、。漏电流是指在额定电压下，滤波器相线和中线与地之间流过的电流。一般出于安全的考虑对漏电流都有严格的规定。壅銮适叁堂亟堂位论塞基！电渥洼这矍的遘让厦刈厘堑厶掘搓盆圭匠开关电源信号类型及特点电源滤波器主要是针对电源线上的干扰信号类型来进行抑制的。电源线上的干扰信号包含了很多可变的因素，给分析带来了一定的难度。但是通常这些电源干扰是以共模（，）和差模（，）方式存在，因此干扰信号按传导路径的不同可分为共模干扰信号和差模干扰信号。共模干扰是指电源线对大地或中线对大地之间的电位差，对于三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模电流是在相线（或中线）和地线之间流动的、相位相同的电流，共模电流一般利

20、用外部接地系统，电缆、金属制品等做为电流的返回路径。共模干扰如图所示。图差模干扰通常情况下，共模电流和电压振幅非常小，但是由于在电路中它们的回路面积很大，因此由共模干扰所引起的电磁兼容问题比等价的差模干扰更严重。在大塞至垣厶堂亟堂位途塞多数场合电源滤波器主要抑制共模干扰信号。开关电源与交流电网连接的框图如图所示。尽管开关电源的噪声源是一个单端：网络，但具有相线（）、中线（）和地线（）的开关电源实际上形成了两个端口，所以在实际分析时可将噪声源分解为共模和差模噪声源。由于共模和差模这两种模式的传导噪声来源不同，传导途径也不同，因而开关电源的共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。，嗡人工电源网络一开关

21、电源二一。亡占圈开关电源对交流电网形成的共、差模噪声源丌关电源在工作时，开关的切换频率通常从数千赫兹到上百千赫兹，而陡峭的上升及下降电压与电流波形，内含相当多的高频成分，所以开关电源本身就是一个干扰发射源。但是与高速数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不太高，所以开关电源呈现出不同于高速数字电路的电磁干扰特性。它们主要表现蔓】：（）作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高。（）干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器，干扰源的位置较为清楚。（）开关频率不高，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。（）开关电源印刷电路板的走线通常采用手工布局，具有更

22、大的随意性，增加分布参数的提取和近场干扰预估的难度。电路结构选取原则电源滤波器通常希望其工作在规范的输入阻抗和输出阻抗中，一般源阻抗和负载阻抗都等于。当源阻抗和负载阻抗与滤波器规范规定的阻抗不同时，输出响应就会发生变化，滤波器将不能达到预期的工作性能。但是在实际应用中，电源滤波器两端阻抗通常都是处于失配状态。设电源的输出阻抗和与其连接的滤波器的输入阻抗分别为和，根据信号传输理论，当，在滤波器的输入端口会发生反射，发射系数为【）（）（）显然，和相差越大，便越大，端口产生的发射越大。当阻抗处于失配状态时，信号会在它的输入和输出端口产生反射。失配越大，反射越大。所以，滤波器输入端口应与电源的输出端口

23、处于失配状态，使信号产生发射。同理，滤波器输出端口也应与负载处于失配状态，使信号产生发射【叭。对于信号，电感是高阻抗的，电容是低阻抗的，所以在进行电源滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则：如果源内阻和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。如果源内阻和负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。具体的组合方式见表一所示。表电源滤波器的端接方式￥源阻抗低负载阻抗低滤波器形式”飞低高高低“叮”一一一一一局高”电源滤波器插入损耗的计算方法电源滤波器对干扰信号的抑制能力用插入损耗来衡量，插入损耗是滤波塞銮适太堂亟堂位逾塞器最重要的技术参数之一。本节主要利用网络理论分析滤波器的网络

24、结构，从而得出插入损耗的基本计算公式，其中最关键的是推导出滤波器二端口网络的参数。二端口网络【】图所示为一个二端口网络，其中端口为输入端口，端口为输出端卜丫土图二端口网络的传输方程为：图二端口网络黔：芝艺锹口：（，）引入矩阵的概念，则公式（）可以表示为：陋，。（槲城。，（羔损耗的关键。川式（）中的称为参数矩阵。参数矩阵各元素的计算是推导滤波器插入迸芷瓣图个二端口网络级联韭立銮适厶堂亟堂位金塞巨丛出邀选泫墨的递让愿则丛垣厶塑搓岔抚对于个二端口网络的级联，如图可得：（芝）耗的分析。仁，由此，在对滤波器进行网络分析时，可以将复杂的二端口网络分解为多个典型滤波电路二端网络的级联，分别计算出各个二端网络

25、的参数矩阵并连乘参数矩阵，即可获得复杂滤波器网络的参数矩阵，进而实现对滤波器插入损典型的滤波电路如图所示，它们中常用的参数矩阵列于表中。表典型滤波电路的参数矩阵典型滤波电路与、。参数矩阵（：警）（二）彬下一，（厶）厶厶孙厶国三，国（：）一，电源滤波器插入损耗插入损耗是电源滤波器的重要参数，它是频率的函数。通常把插入损耗随频率变化的曲线称为滤波器的频率特性。滤波器的插入损耗越大，滤波效果越好。电源滤波器插入损耗的定义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率之比，用（分贝）立銮遭厶堂亟堂垃途塞表示。滤波器接入前、后的电路如图（），（）所裂。图插入损耗方框

26、图，上（。由于；所以，（）（）由图（）可得：墨根据图（）的网络传输方程，同时有巧。匕厶【巧珞一厶，式（），（），（）联立可解出为：三一。口咒忍啦尼吃将式（），（）代入式（）即可得出插入损耗的计算公式：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（一）在进行滤波器的设计时，式（）用于计算滤波电感数值和仿真检验滤波器的性能。同时，我们要注意电源滤波器插入损耗和通常所说的转移电压衰减的定义是不同的，所以书本上已有的滤波器电压衰减图表和数据不能直接应用于插入损耗。电感、电容的高频特性电感和电容是构成电源滤波器的主要元件，它们的高频分布参数直接影响到滤波器的性能。在低频状态下，电感和电容一般被当作理想器件即纯电

27、感和纯电容。但是在高频状态下，它们的特性将远远偏离理想状态时的特性。实际电感器电源滤波器中的电感器通常都是绕制成线圈形式，磁芯为铁氧体软磁磁芯。与一般的电感器一样，在一个很宽的频率范围内，滤波电感具有线圈的直流电阻和分布电容，分布电容存在于电感绕组匝与匝的导线之问及多层绕组的层与层之间。分布电容是影响电感频率特性的主要指标。实际电感的等效电路如图所利。图实际电感的等效电路根据这一等效电路，电感的阻抗为：乙而虿丽万感器的谐振频率：（）在直流段即时，等于月；当在低频段即时，电感的阻抗随频率升高而增加；当时，电感工与分布电容发生并联谐振，达到最大值；当（时，电感的阻抗呈现电容阻抗的特性，阻抗随频率升

28、高而降低。频率是电厄（）根据式（），实际电感的频率特性如图所示。筮銮塑厶堂亟堂位丝塞图实际电感的频率特性因此，为了改善电感的高频特性，可通过以下两个途径实现：一是在体积不变的情况下，获取最大的电感值：二是将线圈的分布电容减小到最小。实际电容器实际的电容器和电感类似，它也不是一个纯粹的电容。实际的电容器由绝缘漏电阻岛、等效串联电阻、等效串联电感和电容构成。绝缘漏电阻是介质材料本身的电阻，等效串联电阻是电容器引线等的等效电阻，而等效串联电感分量是由电容引线和结构所决定的。高频状态下，电感分量是影响电容频率特性的主要指标。实际电容器的等效电路如图所示【。图实际电容的等效电路电容的阻抗为：乙磁呜瓣（）

29、根据式（），实际电容的频率特性如图所示。纠毋心焉图实际电容的频率特性在频率非常低时，电容器表现出电阻特性，其数值主要取决于绝缘漏电阻。当频率逐渐升高时，式（）可近似等效为：娟砒去（）在电源滤波器的设计中，主要考虑的是电容在较高频率时的实际特性，因此在进行滤波器的高频等效电路分析中，可以采用图所示的实际电容的简化等效电路。叫卢芒川图实际电容的简化等效电路当在低频段即时，电容的阻抗随频率的升高而降低；当（时，等效电感厶与电容发生串联谐振，电容器阻抗历最小，旁路效果最好；当频率超过谐振点时，电容的阻抗呈现电感阻抗的特性，阻抗随频率升高而增加。频率是电容器的谐振频率：文露。（）实际电容器的高频特性主要

30、取决于等效串联电感西。等效串联电感实际上包含两个部分即内部结构及引线电感厶和外部引线电感。厶取决于电容器的结构和尺寸，一般取。取决于电容器外部引线的长短，是影响电容高频特性和谐振频率的主要因素。因此，在使用电容器时应设法将外部引线长度控制到最巫窑迢厶堂亟堂位迨塞小，以达到提高噪声抑制的目的。综上所述，在高频条件下进行滤波器插入损耗分析时，必须按照电感和电容的高频等效电路进行考虑。在计算高频插入损耗时，需要将理想状态下电感和电容的阻抗用高频时的阻抗代替，求出相应的参数矩阵。本章小结本章讨论了电源滤波器的基本电路结构、性能指标及设计原则，分析了开关电源干扰产生的原因、特点和干扰信号的类型。同时在应

31、用网络理论分析滤波器特性参数插入损耗的基础上，结合滤波器件的实际特性讨论了在高频情况下如何分析滤波器的高频插入损耗。电源滤波器的设计实例本章主要通过一个实例来说明电源滤波器的设计方法。一个航空电源模块中的开关电源，其输入电压是，电压的正常工作范围是，工作频率是，功率是，工作效率是。经检测，此开关电源传导干扰和辐射干扰超标，需要设计一个电源滤波器对其干扰进行抑制。根据前一章关于滤波器额定电压和额定电流的描述，此滤波器的额定电压为，额定电流为。通常电源滤波器都被认为是一个低通滤波器，但严格来说，由于滤波器件高频分布参数的影响，在频率很高时，滤波器对高频干扰信号将不再起作用，实际上变成了一个带阻滤波

32、器。因此，此处设计的电源滤波器的抑制对象主要是针对传导干扰信号。至于上述开关电源存在的辐射干扰则需要通过屏蔽或其他方法解决。电源滤波器应用网络理论的计算机辅助设计方法的流程图如图所示，主要设计步骤为：（）分析要解决的问题，提出详细的技术指标。（）根据具体要求和设计经验给出认为可行的电路形式。（）分析共模和差模等效电路，分别求出各等效电路的参数矩阵。（）根据电磁兼容测试结果和标准综合分析开关电源的干扰信号特点。（）确定滤波器部分元件参数，计算共模和差模电感。（）使用软件对滤波器的频率特性进行仿真，如果符合插入损耗要求设计结束。如果不符合要求，根据不符合的指标改变元件参数或电路形式，重新设计。（）

33、根据共模和差模滤波器参数，组成实际的电源滤波器。（）实际测试是否满足标准，如不满足，微调电路相关参数。（）实物是否满足体积等要求，如不满足，改变元件相关布局。塞銮道盔翌亟堂位迨塞图电源滤波器设计流程图规范世界各国或地区有关传导型的测量技术以及各类型产品的主要规范对照标准大致如表所示】。本文将以航空领域电源模块中使用的开关电源为背景，以一直流电源滤波器为设计实例，并以国家军用标准中有关军用设备及分系统电磁发射和敏感度测量的规范作为滤波器的设计标准。表各国或地区关于传导型主要规范中国，美国欧洲国际测量技术厂工业、科学医疗设备信息技术相关设备广播接收相关产品家电产品灯具产品本文中开关电源需满足的详细

34、规范如表所示【】。表具体规范一，电源线传导发射，电场辐射发射，；，天线谐波和乱真输出辐射发射，图所示为规定的电源线传导干扰发射极限值，该极限值适用于所有电源导线及返回线。图中曲线根据额定电压的不同，其极限值可以相应放宽。若受试设备传导发射超标，可参照发射极限值确定插入损耗指标，设计合适的电源滤波器。本文中的滤波器设计主要以为依据。毫銮遁厶堂亟堂位诠塞。霹、。千特格鲁皇千导暮频率（）图规定的电源线传导发射极限值滤波器网络结构分析选择滤波器电路结构在开关电源中，主要的骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的和因而电磁发射（，）通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几兆赫兹。所以，传导型电磁环

35、境的测量，正如很多国际和国家标准所规定，民用标准频率范围在，军用标准的频率范围在一。设计电源滤波器，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的衰减至合理范围内即可。根据开关电源产业共模、差模干扰的特点，可以粗略按干扰的分布划分三个频段：差模干扰为主；差模、共模干扰共存；共模干扰为主。其简单的列线图如图所示。对于开关电源来说，干扰信号容易出现在开关频率点及其谐振点上，因此这些频段是滤波器工作的主要频段。此开关电源的工作频率是，差模干扰信号的强度可能比较大，所以在电路结构的选择上使用一般性能电源滤波器，为了增强滤波器差模滤波的能力，另外再加上一级

36、差模滤波电感，电路如图所示。频率（）图共模干扰和差模干扰的分布规律。图增强差模效果的一般性能电源滤波器￥图中的电感及其标志代表共模电感即共模扼流圈，对于相线或中线对地引入的共模干扰，均采用由共模电感厶差模电感工和共模电容构成的对地对称的型滤波电路；对于相线和中线之间引入的差模干扰，采用差模电容、共模扼流圈漏电感工和差模电感构成的兀型滤波电路抑制。在滤波器的电路设计中，共模和差模两种滤波元件对彼此干扰的滤除都会提供贡献，而同一滤波元件也有可能对于电磁干扰信号抑制呈现相反作用，使得滤波器整体设计出现变数与变数之间相互影响的情况，其错综复杂的相互影响情况如图所示。因此，在电路分析和选择共模及差模滤波

37、元件值时要充分考虑到上述情况。峦童适厶堂亟堂位途塞图滤波元件与干扰的相互影响共模和差模等效电路在进行电源滤波器电路结构分析时，通常将共模干扰和差模干扰分开分析，分别计算各自等效电路的参数矩阵并得出对应的插入损耗。图和图分别给出了图所示滤波器在理想状态下的共模等效电路和差模等效电路。图理想共模等效电路图理想差模等效屯路其中是等效共模电感，是等效差模电感。工上口丘厶，（）（）（）三。是在绕制共模扼流圈时产生的不平衡漏电感，在滤除差模干扰信号时相当于差模电感的作用。一般情况下，工且厶由图和式（）可求出共模等效电路的参数矩阵：、（）啦由图和式（）可求出差模等效电路的参数矩阵：一国：）（心，彳，）口，一

38、二）（）、三干扰信号分析近年来，共模和差模干扰信号分离技术发展日渐成熟，可通过多种方法获得共模和差模干扰信号各自的相量成分大小。常用的干扰信号分离方法有电流探棒（）、差模拒斥网络（，）以及干扰分离器（）等。在进行传导型电磁干扰测量时，必须使用传输线阻抗稳定网络（），它是电磁兼容检测规定的线性阻抗固定网络。其主要功能是提供待测物工作电源、隔绝外部干扰，并提供一个固定阻抗以摄取待测物干扰，利用频谱分析仪读取干扰的大小，测量电路如图所示【】。当分别获知干扰源共模和差模干扰大小时，便可利用共模和差模等效滤波电路，依据所需的衰减量，设计适当的元件值。一赢塞适盔鲎亟圭堂焦迨童频谱分析仪翻传导型！测量装置然丽，对每部不同的攀台设备都进行谈试，孺艏分拆葵传导干扰特憔，设计合乎要求的滤波器，这在实际工程中恩然是不可能的。这时就需要设计人员根嚣设备所要满足的标准，自行设定滤波器需要达到的衰减量。事实土，根据越家标准中电源滤波器