开关电源中的EMI滤波器：组成与工作原理详解
开关电源中的EMI滤波器：组成与工作原理详解
EMI滤波器是开关电源中的关键组件，主要用于抑制电磁干扰，确保电源设备的正常运行。本文将详细介绍EMI滤波器的基本概念、作用及其具体组成和工作原理。
开关电源通常由五个部分组成：
- 输入电磁干扰滤波器（EMI滤波器）
- 整流滤波电路
- 功率变换电路
- PWM控制电路
- 输出整流滤波电路
EMI滤波器概述
EMI（Electromagnetic Interference）滤波器，即电磁干扰滤波器，主要用于抑制电磁干扰，特别是线路中的电磁干扰（噪声）。其主要作用包括：
- 防止外来电磁干扰噪声干扰设备本身的控制电路工作
- 防止外来电磁干扰设备负载的工作
- 抑制设备本身产生的电磁干扰
在开关电源设计中，无论是AC-DC还是DC-DC形式的开关电源，均需要进行EMI滤波处理。这是因为产品最终需要通过EMC（电磁兼容）测试，而不同国家和地区的EMC标准虽有差异，但EMC测试是必不可少的环节。因此，在设计之初就需要充分考虑EMI设计。
EMI滤波器的组成
干扰源
电网端的电磁干扰是常见的干扰源。
串模干扰
串模干扰也称为差模干扰，指在两个或多个导线之间由于信号耦合而产生的干扰。这种干扰常见于高速传输环境中，如高压输电线与信号线平行铺设时产生的空间电磁场，可能导致数据错误和设备故障。
共模干扰
共模干扰是指在同一电路中，多条信号线或电源线在共用接地或电源时产生的相对于地（或电源）的共模电压。这种电压会被误认为是信号电压而进入接收端，从而影响信号传输速度和准确性。
共模干扰的特点：
- 幅度大、频率高，可以通过导线产生辐射，造成的干扰较大
- 属于非对称性干扰，定义为任何载流导体与参考地之间的不希望存在的电位差
X电容和Y电容
X电容主要用于抑制电源线之间的电磁干扰（EMI），通常连接在交流电源的两条线之间，主要滤除差模干扰。
如图所示，这是一个X电容。X电容分为X1和X2两类：
- X1：耐高压大于2.5 kV，小于等于4 kV
- X2：耐高压小于等于2.5 kV
上图中主要参数解读：
- X2表示这是一个X电容，最高耐压值≤2.5kV
- 334表示其容值为330nF
- K表示其误差为10%
- 310AC：表示交流电压最大耐压为310V
Y电容是一种三端式电容，通常由两个电容相反连接而成，中间还有一个接地端。Y电容在高频和噪声抑制方面有着显著的优势。Y电容属于安规电容，符合安全规范，即使失效后也不会导致电击，不危及人身安全。它通常用于抗干扰电路中的滤波作用，主要对共模干扰起到滤波作用。
差模电感和共模电感
差模电感应用在大电流的场合，由于一个铁心上绕的一个线圈，当流进线圈的电流增大时，线圈中的铁心会饱和，因此市场上用的最多的铁心材料是金属粉心材料。
共模电感同一铁心上的两组线圈的绕向相反，所以铁心不怕饱和。市场上用的最多的磁芯材料是高导铁氧体材料。
两者最明显的一个区别：共模电感有4个引脚，差模电感有2个引脚。
差模电感的工作原理：
下图所示是差模电感器电路，差模电感器L1、L2与X电容串联构成回路，因为L1和L2对差模高频干扰的感抗大，而X电容C1对高频干扰的容抗小，这样将差模干扰噪声滤除，而不能加到后面的电路中，达到抑制差模高频干扰噪声的目的 。
共模电感的工作原理：
当差模信号进入共模电感时，一个线圈电流是流入，另一个线圈电流是流出，他们的电流方向是相反的，这时这两个线圈形成的磁场方向我们根据右手定则可以知道方向是相反的，又因为这两个线圈是完全一样的，所以磁场强度是相等的，两个磁场相互抵消，这时这两个线圈基本可以看成导线，对差模信号没有阻碍作用。具体看下图：
当共模信号进入共模电感时，如果两个线圈电流都是流入的，他们的电流方向是相同的，这时这两个线圈形成的磁场方向我们根据右手定则可以知道方向是相同的，两个磁场叠加成一个更强的磁场，从而两个线圈都具有很大的电感量，会阻止这个共模信号的变化，从而对共模信号有很强的抑制作用。
以上就是EMI滤波器的具体组成和工作原理。对于电容和电感的深入学习，将有助于更好地理解EMI滤波器和后续电路的设计。