一種有源共模EMI濾波技術(shù)研究
關(guān)鍵詞：有源EMI濾波器；共模抑制；傳導干擾
0 引言
開關(guān)電源中功率開關(guān)器件的高速開關(guān)動作(從幾十kHz到數(shù)MHz)，形成了EMI騷擾源，在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導干擾和近場輻射干擾，傳導干擾還會注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備。為此，國內(nèi)外也制定了許多標準來限制開關(guān)電源的干擾。
在美國和歐洲，傳導噪聲是按FCC和VDE標準A級和B級限制嚴格管理的，這兩個標準是全世界通用標準。開關(guān)電源的產(chǎn)品如果要通過EMC測試標準，往往需要綜合采用各種方法，而大部分都需要增加濾波器。傳統(tǒng)的濾波器大多采用無源濾波器，無源濾波器常常受到可用的電感、電容的體積制約。因此，很多國外學者對有源的EMI濾波器做了很多研究，來試圖找到解決的辦法。本文主要是闡述了一種有源EMI濾波器方案，分析了它減小傳導共模EMI的原理，并給出了實驗波形及結(jié)果。最后的實驗結(jié)果顯示，它需要的電感、電容的體積相對較小，對高頻干擾提供足夠的衰減。
1 傳導共模干擾的測量
以一個AC/DC半橋變換器為例，測量裝置接法如圖l所示，電網(wǎng)供電是經(jīng)過一個電網(wǎng)阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)，LISN的測量電壓送入分析裝置以分析干擾量。LISN包含電阻、電感和電容，相對于50Hz低頻信號，50μH電感相當于短路，而O.1μF電容則相當于開路；而對于EMl噪聲頻率的信號，該電感則呈現(xiàn)高阻抗，而電容則呈現(xiàn)低阻抗，從而是噪聲電流流過50Ω電阻，可測得的其上電壓Vx、Vy值，由傳統(tǒng)理論可以分析得出，共模干擾電壓VCM與Vx、Vy的關(guān)系為
2 傳導干擾傳播途徑的分析
共模干擾噪聲源主要來自開關(guān)器件對地電容，仍以上面的AC/DC半橋變換器為例，MengJin等人通過理論實驗論證得出了共模噪聲回路的一個模型。
實際電路中，由于元器件等的寄生參數(shù)的影響，比如電容元件的寄生電感，電感元件的寄生電容以及PCB布局、布線的寄生參數(shù)，真實的共模噪聲回路是很難得出的。其中一個主要寄生參數(shù)是MOSFET與其連接的散熱器之間的電容Cp，而散熱器從安全角度考慮通常都是連接到地的，而且為了導熱，MOSFET與散熱器之間的絕緣墊片很薄，這也使得Cp尤其大，故認為共模噪聲主要途徑是由交變電壓作用在對地的寄生電容上這個網(wǎng)路中傳播的。通過分析不難得知：當VAB>V1+V2，整流管D1、D3是導通的，如圖2和圖3所示，當S1開通時，F(xiàn)點電位被箝位為Vc。通過R1、C1．D1、S1、Cp和R2、C2、D3、V1、Cp兩條回路對Cp充電；當S2開通時，F(xiàn)點被箝位為VE，Cp通過S2、D3、C2、R2、Cp和S2、V1、D1、R1、Cp進行放電；當VAB<V1+V2時，整流管D1、D3不可能同時導通，則Cp上的電壓會隨S1、S2的通斷而波動，其充放電電流只會流經(jīng)D1、D3的一個，有文獻稱這樣引起的噪聲為非固有差模噪聲，其會由于A、B 間接入的X電容轉(zhuǎn)化為共模噪聲。
3 共模有源濾波器實驗設(shè)計原理
Shikoski J．提出了一種有源濾波器的原理拓撲如圖4所示，Vr是高頻噪聲干擾源，通過ZSENSE感應(yīng)噪聲電流ir，并通過反饋輸出補償電流Air，以此來抵消非線性負荷所產(chǎn)生的噪聲電流，從而達到消除躁聲電流的目的。圖5為實驗中的共模有源濾波器的基本原理圖，它也是基于以上原理來設(shè)計的。一般LISN測得的傳導干擾包含了共模和差模的EMI，在實際應(yīng)用中，差模干擾較易濾除，共模干擾往往成為傳導干擾的瓶頸，因此圖5中的輸入濾波器用數(shù)個O.47μF的X電容并聯(lián)在L、N線兩端，這樣可以基本濾掉差模干擾，在實驗中著重共模EMl的抑制。電流互感器LCM這里的作用是感應(yīng)共模電流，它將高頻噪聲信號從電源端分離出來，并在RIN兩端產(chǎn)生高頻的電壓加在運放兩端。這里ig為被檢測到的共模干擾電流，in為開關(guān)電源中的共模干擾源，運放的作用是由輸出電壓通過電容C1、電阻R3產(chǎn)生電流ic以補償in。C1將濾波電路與主電路隔離，其作用是對主電路中直流和低頻的功率電流呈高阻抗，而對噪聲的高頻信號呈低阻抗。
4 實驗設(shè)計
4.1 運算放大器的選擇
在理想情況下，通過補償ig=O，這需要ic=-in，在實際中往往由于運放的反饋網(wǎng)絡(luò)不可能是無窮大，而且從穩(wěn)定性考慮，高頻情況下對環(huán)路增益折中選擇。另外需選用頻帶較寬，響應(yīng)速度快，對輸入電壓中的共模電壓有較高的抑制并且能輸出較大電流(電流幅值約20mA/120dBμV)的運放，這里選擇運放為TI公司的THS系列中如THS4001或者Fairchild公司的FHP3130、FHP3230、FHP3430等。
4.2 電流互感器的設(shè)計
這里電流互感器采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)，選取原副邊匝比為l：N，其中原邊為一匝電源進線，這里需要電流互感器有一階高頻特性，其低頻可等效為如圖6所示，可以知道其下限頻率為
式中：Ae為磁芯的有效截面積；
ι為有效磁路長度；
μr為相對磁導率。
故要改善下限截止頻率，可以增加副邊繞組，增加磁芯有效截面積等來實現(xiàn)。
對于上限截止頻率，提高電流互感器高頻特性，只有盡量減小互感器的寄生參數(shù)的影響，如為了消除原、副邊繞組間寄生電容對電流互感器高頻特性的影響，對原邊電流進線可采用屏蔽設(shè)置。
4.3 C1的選擇
C1起到的是隔離直流偏置電源與主電路回路的作用，這里選擇Yl型電容。
5 實驗及結(jié)果分析
實驗以一個半橋變換電路作為被測對象，實驗環(huán)境為全屏蔽實驗室。實驗所用儀器為一臺LISN和一臺SCR3501型電磁兼容測量分析儀。被測物距地面高度為0.8 m，距檢測裝置LISN水平距離O.8 m，所有裝置的外殼均可靠接大地。測得被測對象的傳導FMI頻譜如圖7、圖8、圖9所示，均采用峰值檢測頻譜圖中的兩條準線，上面一條為歐盟傳導標準EN55022B，下面一條線為與之相差lOdB表示裕量。圖7為無任何EMI濾波措施時裝置的頻譜，噪聲電流直接經(jīng)分布電容流回交流電源側(cè)，因此超標嚴重；圖8為增加了有源濾波裝置后共模噪聲測量頻譜，在全頻段范圍內(nèi)均有大幅衰減，在較低頻段(150kHz～2MHz)抑制略有不足，圖8中標示在210 kHz這個點上仍然超出規(guī)定標準(該點處約64dB)約3.5 dB。圖9為有源與無源濾波電路相結(jié)合后所測得的噪聲頻譜，在有源濾波的基礎(chǔ)上還增加了一個小的共模電感并增加了兩個Y電容，此時150kHa~1 MHz上的噪聲明顯衰減，全頻帶范圍內(nèi)噪聲值均在下面一條準線以下，因此至少還有10dB裕量。
6 結(jié)語
本文闡述了共模傳導噪聲的產(chǎn)生及其流動的回路以及測量的原理，并以此對有源濾波器的進行了分析與設(shè)計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了實驗電路，通過實驗證明了該方案的可行性。可以得出以下結(jié)論。
(1)這種有源EMI濾波器能夠?qū)MI的共模干擾起到類似無源元件構(gòu)成的濾波器的濾波作用，通過實驗證明，濾波器工作性能是穩(wěn)定的，配合少量無源元件可以達到EMI檢測合格標準。
(2)與傳統(tǒng)的EMI濾波器相比較，該有源濾波器易于集成，這也是一種趨勢，現(xiàn)在已經(jīng)有用于DC/DC方面的集成有源EMI濾波器的成品，如PIC0R公司的QPI-3，采用封裝為1.0”×1.O”×O.2”SIP，能有效減少濾波器的體積和高度，且在很大程度上不依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，這種利于集成和以實用為主導的技術(shù)思想也是開關(guān)電源EMI抑制手段的一種新思路。
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