【開關電源篇】EMI輸入電路-超簡單解讀

1. 輸入電路主要包含哪些元件？濾波設計需遵循什么原則？

輸入電路是電子設備（如開關電源）的“入口”，核心作用是抑制電磁干擾（EMI）、保護后級電路，其設計直接影響設備的穩定性和電磁兼容性（EMC）。
在這里插入圖片描述
1 開關電源超快學習思路點擊跳轉
1.1開關電源的原理、結構和實物入門篇-超簡單解讀點擊跳轉

1.1 輸入電路的核心元件有哪些？

輸入電路主要由5類元件構成，各類元件的功能定位明確，缺一不可：
在這里插入圖片描述

共模電感：L3，核心作用是抑制“相線/中線與大地之間”的共模干擾，且因兩個線圈本就不完全對稱，存在漏感，可兼作差模電感使用，抑制差模干擾；
差模電感：L1、L2，用于抑制“相線與相線、相線與中線之間”的差模干擾。（優化電路中可省略，后文詳解）；
X電容（差模電容）：Cx1，跨接在相線與中線之間，專門抑制差模干擾，容量通常為nF級（遠大于Y電容）；
Y電容（共模電容）：Cy1、Cy2，跨接在相線/中線與大地之間，抑制共模干擾，需符合安規標準（如Y2級，容量多為pF級）；
-
放電電阻：電源斷電后，釋放X電容/Y電容中殘留的電荷，避免維修時觸電風險。

1.2 電磁干擾（EMI）的傳輸方式有哪兩種？為何需要抑制？

任何電磁干擾的產生都需“能量+傳輸路徑”，其傳輸方式主要分為兩類，若不抑制會嚴重影響設備正常工作：

傳輸方式	定義	干擾案例	危害
傳導傳輸	干擾能量通過導線（電源線、信號線）直接傳遞	電網中的雜波通過電源線傳入開關電源	導致電源輸出電壓波動，影響后級芯片工作
輻射傳輸	干擾能量以電磁波形式通過空間傳播	高頻開關信號輻射到周圍的傳感器	導致傳感器數據失真，甚至觸發設備誤動作

隨著電子設備工作頻率提升（如開關電源頻率達100kHz~1MHz），EMI輻射/傳導強度會顯著增加，必須通過輸入濾波電路抑制。

1.3 輸入濾波電路需滿足哪些核心要求？

輸入濾波電路的設計需遵循4大核心原則，確保“雙向抑制干擾+適配阻抗特性”：

要求1：雙向濾波功能

需同時抑制“電網對設備的干擾”和“設備對電網的干擾”：

對外：防止設備內部的高頻雜波（如開關管開關噪聲）通過電源線“污染”電網；
對內：阻擋電網中的干擾信號（如其他設備的傳導干擾）進入設備內部。

要求2：優先抑制共模干擾（可省略差模電感）

共模干擾的危害遠大于差模干擾，是設計重點，且差模干擾可通過現有元件間接抑制：

干擾類型	干擾路徑	輻射強度（相對值）	對系統影響	抑制方式
共模干擾	相線/中線 ? 大地	高（差模的3~4個量級）	嚴重（通過機殼/地阻抗耦合干擾其他系統）	共模電感+Y電容（核心方案）
差模干擾	相線 ? 相線、相線 ? 中線	低	輕微	1. 共模電感的漏感（線圈不對稱產生，等效差模電感）； 2. X電容（容量大，對差模容抗小）

基于上述原因，優化的輸入濾波電路可省略差模電感，減少元件成本和PCB面積。

要求3：滿足“最大阻抗失配”原則

阻抗失配的核心是“讓濾波器對干擾信號呈現最大阻礙”，需結合電網和設備的阻抗特性：

電網：等效為“低阻電壓源”（對高頻干擾信號）；
設備（如開關整流器）：輸入端等效為“低阻電容+電流源并聯”（對高頻干擾信號）；
失配要求：因電網和設備均為低阻，輸入濾波器需對高頻干擾呈現高阻，最大化插入損耗（干擾信號被衰減的程度）。

要求4：工頻低阻、高頻高阻

工頻（如50/60Hz市電）：濾波器需呈低阻，確保市電能無損耗地進入設備；
高頻（幾十kHz~幾百MHz，EMI主要頻段）：濾波器需呈高阻，大幅衰減干擾信號；
關鍵影響因素：元件參數（如共模電感的電感值、電容的容量）、元件選型（如高頻特性好的電感磁芯）。

1.4 共模電感值如何計算？關鍵步驟是什么？

共模電感值需根據EMI截止頻率、共模電容值確定，以下為開關電源場景的典型計算案例：

已知參數（需根據設備實際調整）

開關電源工作頻率：100kHz（EMI發射頻段：50~150kHz）；
EMI截止頻率 $f_c$ ：150kHz（需覆蓋超標頻段，確保干擾被抑制）；
共模電容 $C_Y$ ： $CY3=CY4=2200pFC_{Y3} = C_{Y4} = 2200 \text{pF}$ （即 $2200 \times 10^{-12} \text{F}$ ，Y2級安規電容）。

核心公式

共模電感 $L$ 與共模電容 $C_Y$ 組成的濾波電路，截止頻率需滿足：
$\frac{1}{(2\pi f_c)^2 \times C_Y}$
（注：公式中 $C_Y$ 為單路共模電容值，若兩路電容并聯，需取總容量）

計算步驟

計算分母項 $(2πfc)2×CY(2\pi f_c)^2 \times C_Y$ ：
- 第一步：計算 $2πfc=2×3.14159×150×103≈9.42477×1052\pi f_c = 2 \times 3.14159 \times 150 \times 10^3 \approx 9.42477 \times 10^5$ rad/s；
- 第二步：計算 $(2πfc)2≈(9.42477×105)2≈8.8826×1011(2\pi f_c)^2 \approx (9.42477 \times 10^5)^2 \approx 8.8826 \times 10^{11}$ (rad/s)2；
- 第三步：計算 $(2πfc)2×CY≈8.8826×1011×2200×10?12≈1954.17(2\pi f_c)^2 \times C_Y \approx 8.8826 \times 10^{11} \times 2200 \times 10^{-12} \approx 1954.17$ 。
計算共模電感值：
$\approx \frac{1}{1954.17} \approx 5.12 \times 10^{-4} \text{H} \approx 0.5 \text{mH}$

結論

該場景下共模電感需選取約0.5mH，實際應用中需通過EMI測試微調（如測試仍超標，可適當增大電感值或電容值）。

2. 輸入電路的工作原理是什么？常見電路有哪兩類？

輸入電路按供電類型可分為“AC輸入”和“DC輸入”兩類，前者適用于市電供電（如家用設備），后者適用于直流電源供電（如電池、直流適配器）。

2.1 AC輸入整流濾波電路的原理是什么？包含哪些模塊？

在這里插入圖片描述
AC輸入整流濾波電路是市電進入設備的“三道防線”：防雷→濾波→整流，整體工作流程如下：

模塊1：防雷電路（保護后級免雷擊損壞）

防雷電路通過“吸收高壓+切斷大電流”實現保護，核心元件及作用如下：

元件	類型	工作機制
MOV1~MOV3	壓敏電阻	常態下呈高阻；當雷擊產生高壓（如幾千V）時，阻值驟降，吸收高壓能量；電壓恢復后回歸高阻
F1~F3	保險絲	若壓敏電阻無法完全吸收能量，電流超過閾值時，保險絲燒毀，切斷電路隔離后級
FDG	放電管	輔助釋放雷擊產生的高頻高壓脈沖，補充壓敏電阻的保護能力

模塊2：EMI濾波電路（抑制電磁干擾）

由C1、L1、C2、C3組成雙 $π$ 型濾波網絡，核心作用是“雙向抗干擾”：

對外：阻止設備內部的高頻雜波（如開關管開關噪聲）通過電源線干擾電網；
對內：阻擋電網中的干擾（如其他設備的傳導干擾）進入設備內部。

特別注意：電路中串聯的RT1（負溫度系數熱敏電阻），專門抑制開機浪涌電流：

開機瞬間：RT1溫度低、阻值大（如幾歐~幾十歐），限制電容C5的充電電流（避免大電流燒毀整流橋）；
正常工作：RT1因電流發熱，阻值降至幾毫歐，幾乎不消耗能量（避免持續耗能導致發熱）。

模塊3：整流+濾波電路（AC轉純凈DC）

整流：由整流橋BRG1（4個二極管組成）實現——將市電的負半周“翻折”為正半周，輸出“脈動直流電”（波形為連續的正半周正弦波）；
濾波：由電容C5（大容量電解電容，如470μF/400V）實現——并聯在整流橋輸出端，充電時儲存能量，放電時補充電流，將脈動DC平滑為“近似恒定的DC”（如220V市電整流后，濾波前電壓約310V，濾波后約300V）。
關鍵特性：若C5容量衰減（如老化），濾波效果下降，輸出DC的交流紋波會增大，導致后級電路輸出不穩定（如電機抖動、芯片死機）。

2.2 DC輸入濾波電路的原理是什么？核心保護機制有哪些？

DC輸入電路適用于直流供電場景（如汽車電子、便攜設備），核心模塊為“EMI濾波+故障保護”，電路結構如圖所示。
在這里插入圖片描述

模塊1：EMI濾波網絡（抑制直流雜波）

由C1、L1、C2組成雙 $π$ 型濾波網絡，配合C3/C4（安規電容）、L2/L3（差模電感），作用如下：

抑制輸入DC中的雜波信號（如電池供電時的紋波），避免干擾設備內部芯片；
阻止設備內部的高頻信號（如MCU的時鐘信號）反向干擾直流電源（如影響電池壽命）。

模塊2：故障保護機制（防短路、防漏電）

電路中R1-R5、Z1-Z2、Q1-Q2、RT1組成抗浪涌電路，實現“啟動限流+故障切斷”雙重保護，分兩種場景工作：

工作場景	保護過程
正常啟動	1. 開機瞬間：C6未充電，Q2無柵極電壓，處于截止狀態； 2. 電流經RT1（限流）流過負載，C6開始充電； 3. C6電壓升至Z1穩壓值（如12V）：Q2導通，RT1被短路（避免持續耗能）。
故障（C8漏電/后級短路）	1. 啟機瞬間：故障導致電流驟增，RT1兩端壓降顯著增大； 2. 壓降觸發Q1導通，Q2柵極電壓被拉低至截止； 3. RT1持續承受大電流，短時間內燒毀，切斷電路保護后級元件（如芯片、MOS管）。