直流电机伺服驱动开关电源的 EMI 滤波器设计

引言 直流电机专用伺服驱动电源，已不仅仅是传统意义上的开关电源，它直接参

与了直流电机的控制工作，其特有的微机接口控制和上电时序控制功能尤其适合直流电
机驱动系统，相对传统的通用型大功率电源有着明显的的技术优势，其多功能的技术特
点，符合电机驱动电源系统的发展方向。然而，随着电子设计、计算机与家用电器的大量
涌现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰，其上升
速度快、持续时间短、电压振幅度高(几百伏至几千伏)、随机性强，尤其会对微机和伺服驱

 

动系统易产生严重干扰，常使人防不胜防。电磁干扰滤波器(EMI Filter)是近年来被推广应
用的一种新型组合器件。它能有效地抑制电网噪声，提高伺服系统和电子设备的抗干扰能
力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领
域。本文介绍的就是一种直流电机伺服驱动开关电源的 EMI

 

滤波器设计。 滤波器设计 根

据直流电机伺服驱动开关电源系统的特点，本设计中的 EMI 滤波器采用双级 LC 网络设
计，双级 LC 网络插入开关电源电路中的位置如图 1

 

所示。 假定直流电源侧为低阻抗电压

源 US，DC／DC 变换器输入端为高阻抗电流源 i(t)。那么 LC

“

滤波器只能选择 Γ”型结构，

“

最简单的双 Γ”型 LC 网络如图 2

 

所示。其频域传递函数为： 由于 LC 网络谐振时，会产生

很大的电流(电压)峰值，这个网络有 3 个频率点的谐振峰值是必须限制，否则，会产生更
大的 EMI。限制这 3 个频率点的峰值是设计这个滤波器的主要指导思想。这 3 个频率点分

 

 

别是： 第一级滤波器的谐振频率： 第二级滤波器的谐振频率 : 第 3 个频率点就是 DC／
DC 变换器的开关频率 f

 

。下面具体讨论滤波器设计方法，即选取 LC 网络中元件参数的方

 

法： 由上面 3 个式子，3

 

个频率点对应的传递函数的幅值分别为： 元件参数选取方法讨

 

论如下： 为了限箭 f1

 

点的谐振峰值，要求插入衰减 zollogH1=zologC1／C2＜0，即

C1<C2<1

 

 

。根据经验，它们的比值范围为 元件参数选取步骤归纳如下： (1) 由(7)～(9)式

 

确定了比值，这样只有二个参数是独立的； (2) 由于滤波器负载侧(开关电流 i(t)侧)谐波
分量较大，C2

 

应选一个大容量电容器。(3) 由(1)、(2)步结果代入(9)式，就可以确定另一个

 

独立参数。(4) 由直流侧电源 Us 确定电容器额定电压值 Uce≥2Us  

。例如：若开关电源开关

频率 f=50kHz，Us=24V，由上述参数选取原则，选取二组参数见表 1  

。EMI 滤波器的技术

参数及测试方法 主要技术参数 EMI 滤波器的主要技术参数有：额定电压、额定电流、漏电
流、测试电压、绝缘电阻、直流电阻、使用温度范围、工作温升 Tr、插入损耗 AdB、外形尺寸、
重量等。上述参数中最重要的是插入损耗(亦称插入衰减)，它是评价电磁干扰滤波器性能

 

优劣的主要指标。插入损耗(AdB)是频率的函数，用 dB 表示。设电磁干扰滤波器插入前后
传输到负载上的噪声功率分别为 P1、P2

 

，有公式： AdB=101g(P1／P2) (10) 假定负载阻抗

在插入前后始终保持不变，则 P1=V12／Z，P2=V22／Z。式中 V1 是噪声源直接加到负载
上的电压，V2 是在噪声源与负载之间插入电磁干扰滤波器后负载上的噪声电压，且
V1<<V2。代入(10)

 

式中得到： AdB=201g(V1／V2) (11) 插入损耗的测量方法 插入损耗用

分贝(dB)表示，分贝值愈大，说明抑制噪声干扰的能力愈强。测量插入损耗的电路如图 3
所示。US 是噪声信号发生器，Zi 是信号源的内部阻抗，ZL 是负载阻抗，一般取 50Ω。噪
声频率范围可选 10kHZ～30MHz。首先要在不同频率下分别测出插入前后负载上的噪声压
降 V1、V2，再代入(11)式中计算出每个频率点的 AdB

 

值，最后绘出插入损耗曲线。 结语 

实验结果表明本文设计的 LC 双级滤波器具有滤波效果好、结构简单、价格便宜、实用性强
等特点。