開關(guān)電源EMI濾波器的設(shè)計與仿真

 摘 要：濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種常用方法，為了提高濾波器性能和縮短開發(fā)時間，針對DC-DC開關(guān)電源介紹一種簡單且效果良好的濾波器設(shè)計方法。闡述EMI電源濾波器的基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計原則和濾波器件的高頻特性，建立濾波器插入損耗仿真模型，對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析，最后通過實際測試，驗證設(shè)計方法的正確性。同時，在EMI電源濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)上，對濾波器進(jìn)行拓展功能的電路設(shè)計，主要針對開關(guān)動作所引起的浪涌電壓。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)理論；EMI電源濾波器；插入損耗；開關(guān)電源

    目前，在我國絕大多數(shù)工程設(shè)計中，尤其是在設(shè)計初期，很少考慮設(shè)備內(nèi)部電路對內(nèi)以及對外的電磁干擾問題，致使許多電力電子裝置性能都不能得到理想效果。往往是問題出現(xiàn)了才去尋找原因與解決方案，這既耗時又耗力，而且加大了產(chǎn)品的成本。因此，提高電力電子裝置的電磁兼容性已成為十分重要的問題。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，則要求進(jìn)一步加強(qiáng)對電力電子裝置電磁干擾特性的研究，特別是在設(shè)計初期，則考慮設(shè)備電路之間的電磁干擾是十分必要的，然而電磁干擾濾波器是提高電力自動化設(shè)備電磁兼容性的重要器件之一。

1 研究方法和實驗方案
1．1 開關(guān)電源頻率分布
    根據(jù)開關(guān)電源產(chǎn)生共模、差模干擾的特點，可以粗略按干擾的分布劃分3個頻段：O．15～0．50 MHz差模干擾為主；O．5～5 MHz差模、共模干擾共存；5～30 MHz共模干擾為主。
1．2 共模和差模等效電路
    在進(jìn)行EMI電源濾波器電路結(jié)構(gòu)分析時，通常將共模干擾和差模干擾分開分析，分別計算各自等效電路的A參數(shù)矩陣，并得出對應(yīng)的插入損耗。分別給出濾波器在理想狀態(tài)下的共模等效電路和差模等效電路如圖1、圖2所示。

1．3 干擾信號分析
    近年來，共模和差模干擾信號分離技術(shù)發(fā)展日漸成熟，可通過多種方法獲得共模和差模干擾信號各自的相量成分大小。常用的干擾信號分離方法有電流探棒、差模拒斥網(wǎng)絡(luò)以及干擾分離器等。在進(jìn)行傳導(dǎo)型電磁干擾測量時，必須使用傳輸線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，它是電磁兼容檢測規(guī)定的線性阻抗固定網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是提供待測物工作電源，隔絕外部干擾，并提供一個固定阻抗，以攝取待測物干擾，利用頻譜分析儀讀取干擾的大小，測量電路如圖3所示。當(dāng)分別獲知干擾源共模和差模干擾大小時，便可利用共模和差模等效濾波電路，并依據(jù)所需的衰減量設(shè)計適當(dāng)?shù)脑怠?br />    根據(jù)現(xiàn)有條件，通過對測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求的綜合分析可得濾波器抑制共模和差模干擾需要達(dá)到衰減量。共模和差模插入損耗與頻率對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2 程序設(shè)計及仿真
    所有算法采用Matlab語言編程實現(xiàn)。從程序功能分為濾波器設(shè)計和濾波器分析兩大模塊。
2．1 共模電感和差模電感的計算
    共模電感和差模電感的計算頻點是根據(jù)開關(guān)電源的工作頻率來取值的，分別是工作頻率、諧波頻率及幾個高頻點。
2．2 仿真結(jié)果分析
    測試工作是對EMI電源濾波器性能做出評價的重要依據(jù)，一般在電磁中進(jìn)行。電磁屏蔽室是能夠提供防止電磁干擾、凈化電磁環(huán)境試驗場所插入損耗常用的設(shè)備，一般是頻譜分析儀、人工電源網(wǎng)絡(luò)等，該實驗使用的分析儀型號為 HP3585ASPECTRUMAN ALYZER20 Hz～40 MHz。表2所示為濾波器實際測得的共模和差模插入損耗。
2．3 結(jié)論
    通過一個直流EMI電源濾波器的設(shè)計實例，闡述濾波器的整個設(shè)計流程。設(shè)計過程主要包括：首先明確EMC規(guī)范要求，選擇濾波電路結(jié)構(gòu)，并使用網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析，同時在分析干擾信號的基礎(chǔ)上給出濾波器的共模和差模插入損耗設(shè)計指標(biāo)。在此使用 Matlab軟件建立濾波器仿真模型，通過編程計算出部分濾波元件的參數(shù)，并分別對濾波器的理想及高頻電路模型進(jìn)行仿真分析，討論元件參數(shù)、高頻分布參數(shù)及源、負(fù)載阻抗對濾波器頻率特性的影響。最后通過實驗驗證濾波器設(shè)計方法和仿真模型的正確性。在此使用的濾波器設(shè)計方法同樣適用于多級濾波器、交流單相濾波器及交流三相濾波器。

3 結(jié) 語
    總之，本設(shè)計是建立在網(wǎng)絡(luò)理論上的EMI電源濾波器設(shè)計技術(shù)，能嚴(yán)格保證濾波器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，使其彌補(bǔ)以前經(jīng)驗設(shè)計的不足。同時結(jié)合實際工程技術(shù)，使設(shè)計方案更加實用，縮短濾波器的開發(fā)周期，并節(jié)省研發(fā)成本。該設(shè)計方法使該設(shè)備具有抑制電氣電子設(shè)備的傳導(dǎo)干擾，提高電氣電子設(shè)備傳導(dǎo)敏感度水平，保證電氣電子設(shè)備整體或局部屏蔽效能等優(yōu)點，同時具有結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，操作方便，有較好的實用價值。