EMC-开关电源直流EMI滤波器的设计及实现

开关电源直流EMI滤波器的设计及实现 作者：李 金 粟 梅 杨 文 文章加入时间：2005 年 7 月 14 日 13:41:49 摘要：介绍了基于二端口网络理论的开关电源直流 EMI 滤波器设计的一般原理和方法。该原 理适合于任何滤波器的设计，在实际应用中取得了良好的滤波效果。 关键词：EMI滤波器；输入导纳；输出阻抗 引言 电子技术的迅速发展，对电子仪器和设备提出了更高的要求：性能上，更加安全可靠；功能 上，不断增加；使用上，自动化程度越来越高；体积上，要日趋小型化。这使得具有众多优点的 开关电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面得到了日益广泛的应用。但是，在开关稳压电 源中，开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路的元器件产生很强的尖峰干扰和谐 振干扰。这些干扰严重地污染了市电电网，影响了邻近电子仪器及设备的正常工作；同时，由于 这一缺点，使得开关电源无法应用于一些精密的电子仪器中，因此，尽量降低开关电源的电磁干 扰，提高其使用范围，是从事开关电源设计必须考虑的问题[1]。 本文应用了二端口网络的原理，对开关电源中直流 EMI滤波器进行了，给出了直流 EMI 滤波器设计的一般方法及相关参数的计算方法。 1 基于二端口网络直流 EMI滤波器的设计 目前广泛使用的开关电源，无论单桥式、推挽式、半桥式、全桥式都可以归纳为图 1所示的 形式[2]（以单相为例）。 由图 1可以看出，通过对直流 EMI滤波器的配置，可以改变电路的等效阻抗，进而达到预 期的滤波效果。 直流 EMI滤波器双端口网络模型如图 2所示。其混合参数方程为 式中：g11为输入导纳； g22为输出阻抗； g12为反向电流增益； g21为正向电压增益。 由式（1）可以等效出如图 3所示的原理图。 直流 EMI滤波器设计必须满足以下几项要求： 1）要保证滤波器在滤波的同时，不影响电源的带负荷能力； 2）对于输入的直流分量，要求滤波器尽量不造成衰减； 3）对于谐波分量，滤波器要有良好的滤波效果。 结合混合参数方程及等效原理图,由要求 1）知，滤波器的输入导纳和输出阻抗要尽可能小， 即 g11=g22=0 由要求 2）知，低频时，反向电流增益 g12和正向电压增益 g21设计值要尽量为 1，而输入导 纳和输出阻抗要尽可能小,也即 g12=g21=1，g11=g22=0； 由要求 3）知，高频时，g11，g12，g21，g22都要尽可能地小。 以上的分析结论就是直流 EMI滤波器设计的一般方法及滤波效果的评判标准。 2 实例分析 LC 滤波器和四阶直流线路滤波器是工程实际中常用的滤波器,下面就以上面的结论分析其 滤波效果。图 4为 LC滤波器原理图。 其混合参数方程为 对于直流分量，由于 f趋向于 0，对应有 ω=2πf趋向于 0；显然 g11=g22=0；g12=g21=1。 对于谐波分量， 考虑到当 ωL>10 时，显然有 g11=g12=g21=g22=0。分析系统的输入导纳和输出阻抗，要保 证输入导纳 g11趋向于 0，必然使得 L取值很大；要保证输出阻抗 g22趋向于 0，必然使得 C取 值同样很大，这给工程实际应用带来了局限性，这也正是 LC滤波器的缺点。 在工程实际中广泛应用的四阶直流线路滤波器其原理图如图 5所示。 其混合参数方程为 如果令 z=1/L1sg，则可以求得相应的参数如下： g11=gz；g12=g21=z；g22=－L1sz。 下面分析此滤波器电压传递函数的幅频特性，滤波器的电压传递函数为 将参数 g代入，应用MATLAB做出其对数幅频特性曲线如图 6所示。 显然，在低频段输出电压的衰减较小，高频段的滤波效果比较明显。 由以上分析可以看出，由于此电路元件参数的选择范围较宽,因此较容易设计出满足设计要 求，且适用于工程实际的滤波器。作者已将此电路应用到了为长沙某公司所设计的开关电源中。 设计要求为： 1）输入 1000V的尖峰电压,最大产生 20A电流； 2）滤波器输出电流从 0～25A变化时，造成 513V电压波动不超过 2％。 据此设计要求可得到设计允许值为： g11=20/1000=0.02； g22=U/I=(513＊2％)/25=0.4。 最终选定的参数值为： L1=500µH；L2=140µH；R0=0.3Ω； C1=470µF；C2=40µF。 将这组参数值代入式(3)得到: g=5；z=0.003； g11=gz=0.015；g12=g21=0.003；g22=0.2。 加入此滤波器前后开关电源输出电压波形如下图 7所示。 3 结语 本文应用二端口网络原理，对开关电源 EMI 滤波器的设计要求进行了分析，得出了 3 条设计要求，它适合于任何滤波器的设计。从该设计要求出发，可以对现有的开关电源 EMI 滤 波器性能进行分析。本文给出了一个应用该要求设计出的 EMI 滤波器，并用在了工程实际，运 行结果明该原理理论性与实践性均较好，具有通用性。