单相线路滤波器的设计方案

线路滤波器的动机

开关电源 (SMPS) 会导致传导干扰，因为它们会在电源侧产生无线电干扰电压。这可能会干扰其他使用主电源供电的设备。线路滤波器有助于抑制产生的无线电干扰电压。这些可以通过无源元件轻松设计，例如电流补偿线路扼流圈和 X/Y 电容器。本文涉及单相线路滤波器的设计。

SMPS 输入端的寄生电流

寄生电流通过阻抗导致无线电干扰电压。 图 1 显示了 SMPS 中寄生电流的主要电流。

图 1：SMPS 输入端的寄生电流

最初，高频有功电流 (i DM) 以开关稳压器的脉冲频率在电源侧流动，从而导致差模干扰。由半导体元件(通常是 MOSFET)的快速开关过程引起的高频振荡与寄生效应相结合。原则上，差模电流从主电源线 (L) 流过整流桥，然后流过隔离变压器的初级绕组、MOSFET 和中性导体 (N) 回到主电源。MOSFET 安装在散热器上以进行冷却。反过来，它连接到保护接地导体 (PE)。散热片和 MOSFET 的漏极之间的电容耦合发生在这里并产生共模干扰。电容耦合共模电流 (i CM) 现在沿着 PE 流回到 SMPS 输入，在那里它通过 L 和 N 上的寄生电容再次耦合 。如图 1所示，i CM现在流 过两条主电源线，通过整流桥到达 MOSFET ，它再次通过散热器寄生耦合到 PE。

预期干扰频谱

整流后的电源电压施加在漏源部分。整流电源电压的峰值电平对应于：

已使用脉冲频率为 100 kHz 的 SMPS 作为示例。对于此脉冲频率，定时信号对应于 T = 10 µs。脉冲持续时间为 2 µs。基于此，首先可以确定占空比：

假设通过整流桥的电流是梯形的，则可以近似确定没有线路滤波器和进一步傅立叶变换的 EMC 谱。首先需要封闭幅度谱密度的第一个角点：

封闭幅度谱密度的第一个转角频率类似于：

可以由此确定一次谐波的幅度：

基于SMPS 和地之间的寄生耦合电容 ( CP ) 为 20 pF的假设，现在可以确定一次谐波共模电流：

无线电干扰电压是使用线路阻抗稳定网络 (LISN) 和 EMC 测试接收机测量的。由于 EMC 测试接收机的 50 Ω 输入阻抗和 LISN 的 50 Ω 输出阻抗的并联，产生了 25 Ω 的总阻抗 (Z)。现在可以计算测得的无线电干扰电压 (V CM )：

转换为分贝微伏，这给出：

计算结果是可以预期的高干扰发射。例如，此处可以使用产品系列标准 EN 55022 来评估干扰发射。在 0.15 MHz 至 0.5 MHz 的频率范围内，它定义了 66 dBµV 至 56 dBµV 的准峰值加权干扰电平。 图 2 显示了此无线路滤波器的 SMPS 的传导无线电干扰电压的测量结果。

图 2：不带线路滤波器的 SMPS 的无线电干扰电压

测量表明，线路滤波器是绝对必要的。

线路滤波器的设计

图 3 显示了一个简单的单相线路滤波器的原理图设计。Würth Elektronik 提供各种型号的线路扼流圈，例如 WE-CMB 系列，用于构建线路滤波器。线路扼流圈基本上由锰锌环芯组成，在其上有两个沿相反方向绕制的几何分离的绕组。 图 4 显示了 WE-CMB 的设计。在这种情况下，WE-CMB 就像一个滤波器线圈，它抵消电流并降低其幅度。应选择在最低频率范围内具有尽可能低自谐振频率 (SRF) 的共模扼流圈，因为此处使用的 SMPS 以非常低的脉冲频率进行开关。低 SRF 会导致低频范围内的高衰减。

图 3：单相线路滤波器

图 4：WE-CMB 的设计

图 5 显示了 WE-CMB，尺寸 XS，电感为 39-mH，在 50-Ω 系统中的衰减特性曲线。

图 5：WE-CMB XS 39 mH 的衰减

共模(黑线)和差模(红色，虚线)抑制之间的衰减总是有区别的。在共模操作中，WE-CMB 线路扼流圈在 150 kHz 时达到其最大衰减。然而，衰减随着频率的增加而下降。需要其他 X/Y 电容器，因为线路滤波器应抑制高达 30 MHz 的干扰。X 电容器放置在线路滤波器之前和之后，以阻止来自电源侧和 SMPS 的差模干扰。WE-CMB凭借其漏感，与X电容组合形成低通滤波器，降低差模干扰和后续共模干扰。此处选择了两个值为 330 nF 的 X 电容器作为示例。它们的 SRF 约为 2 MHz。

出于安全原因，如果 SMPS 与电源断开，则必须在电源侧放置一个与 X 电容器并联的电阻器以对电容器放电。还应在线路滤波器之前放置一个压敏电阻，以便将来自电源的瞬态过电压短路。Würth Elektronik WE-VD 系列盘式压敏电阻器非常适合此用途。还必须考虑过载保护，例如保险丝，并且应始终放置在压敏电阻之前。保护在压敏电阻短路的情况下跳闸。需要Y电容进一步抑制共模干扰。结合 WE-CMB，它们形成转角频率 (f 0 )，由 Thomson 振荡方程定义：

需要衰减 40 dB 才能达到低于 66 dBµV(150 kHz)允许干扰电平的电平。这对应于对数表示中的两个十年。脉冲频率的十分之一用作转角频率或进一步计算 Y 电容器的因子。现在转换振荡方程并用于确定 Y 电容：

由于需要两个 Y 电容，计算值除以 2。Y 电容将共模干扰从 SMPS 传导回 PE。根据设备类型，仅允许 0.25 mA 至 ≤3.5 mA 的漏电流;不应使用值大于 4.7 nF 的电容。为此，选择了两个 E12 值为 2.2 nF 的 Y 电容器。 图 6 显示了使用该线路滤波器的测量结果。

图 6：带线路滤波器的无线电干扰电压

电路中有滤波器，无线电干扰电压测试的结果是通过。相应干扰限值与 150 kHz 频率下的准峰值和平均测量值之间的余量大于 10 dB，并且该余量在整个频率范围内显着增加。

线路滤波器的优化

还可以进一步提高低频范围内的信号干扰比。为此，两个 330 nF 的 X 电容器被替换为两个 1.5-µF 的 X 电容器。 图 7 显示了优化线路滤波器的测量结果。

图 7：具有优化线路滤波器的无线电干扰电压

电容的变化会导致低频范围内的无线电干扰电压降低约 15 dB。已实现更大的信号干扰比并设计了良好的线路滤波器。

由于取消线路扼流圈而导致的错误

一开始经常尝试只使用 X 和 Y 电容器来抑制干扰，以省去共模扼流圈。但是，这与线路滤波器通过增加高阻抗滤波器元件来抵消干扰电流的原理相违背。作为实验，使用没有共模扼流圈的相同滤波器测量了无线电干扰电压。 图 8 显示了测量结果。

图 8：带线路滤波器的无线电干扰电压，不带 WE-CMB

正如预期的那样，在没有 WE-CMB 线路扼流圈的情况下，低频范围内的干扰发射会强烈增加。在 200 kHz 时，准峰值显示的值约为 78 dBµV，平均值显示的值为 60 dBµV。准峰值和平均测量都超过了允许的干扰电平，最高可达 600 kHz。没有线路扼流圈的线路滤波器是不够的。

附加差模滤波器

如果使用 WE-CMB 和 X 电容器的差模抑制不够充分，则由两个串联线圈组成的附加差模滤波器会有所帮助。 图 9 显示了该设计。

图 9：带有 WE-CMB 和 WE-TI HV 的线路滤波器

Würth Elektronik 线圈 WE-TI HV 和 WE-PD2 HV 或 WE-SD 系列非常适合差模抑制。高频干扰情况下推荐使用WE-UKW系列。此处可以再次使用 Thomson 振荡方程来计算线圈。如果每个线圈需要 40 dB/十倍频程的衰减，则应使用脉冲频率的十分之一的转角频率进行计算。

X电容已经使用的X值可用于线圈的计算：

由于差模电流的线圈串联，计算值除以 2。 WE-TI HV 的下一个较大电感值为 470 µH。差模线圈的选择应保证其额定电流(I R)远高于SMPS输入的额定电流。

线路滤波器的结果

总之，没有共模扼流圈的开关模式电源的线路滤波器是不够的。单个电容器不足以完全抑制干扰发射。如果需要进一步抑制差模干扰，则线路滤波器之前的附加纵向线圈会有所帮助。使用线路滤波器，所有干扰水平都低于允许的极限值，并且 SMPS 可以通过 EMC 测试。

审核编辑：汤梓红