開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾濾波器設計研究

0 前 言

開(kāi)關(guān)電源應用最為廣泛，但EMI最為嚴重。開(kāi)關(guān)電源EMI主要來(lái)源：其一：在整流環(huán)節中，由于濾波電容器容量很大，整流管僅在交流電壓峰值附近導通，此時(shí)電容器流經(jīng)較大的充電尖峰電流，產(chǎn)生了豐富的諧量分量；其二：由于DC/DC變換器開(kāi)關(guān)頻率在幾十KHZ至幾百KHZ之間，開(kāi)關(guān)管電流含有豐富的諧波分量，而且是開(kāi)關(guān)電源主要電磁干擾源。

由于開(kāi)關(guān)電源EMI主要是傳導干擾，采用濾波器來(lái)抑制是最主要的手段。EMI濾波器設計與一般信號濾波器設計完全不同，必須采取特殊設計方法。

本文采用完全有別于信號濾波器的設計方法，采用“三點(diǎn)頻率法”設計了雙級LC濾波器，濾波器效果令人滿(mǎn)意。

1 濾波器設計

雙級LC網(wǎng)絡(luò )插入開(kāi)關(guān)電源電路中的位置如圖1所示。

圖1 LC網(wǎng)絡(luò )在開(kāi)關(guān)電源電路中的位置

假定直流電源側為低阻抗電壓源Us，DC/DC變換器輸入端為高阻抗電流源i(t)。那么LC濾波器只能選擇“ ?！毙徒Y構，最簡(jiǎn)單的雙“ ?！毙蚅C網(wǎng)絡(luò )如圖2所示。其頻域傳遞函數為

圖2 雙級LC網(wǎng)絡(luò )

由于LC網(wǎng)絡(luò )諧振時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很大的電流（電壓）峰值，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )有3個(gè)頻率點(diǎn)的諧振峰值是必須限制，否則，會(huì )產(chǎn)生更大的EMI。限制這3個(gè)頻率點(diǎn)的峰值是設計這個(gè)濾波器的主要指導思想。這3個(gè)頻率點(diǎn)分別是：

由于LC網(wǎng)絡(luò )諧振時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很大的電流（壓）峰值，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )有3個(gè)頻率點(diǎn)的諧振峰值是必須限制，否則，會(huì )產(chǎn)生更大的EMI。限制這3個(gè)頻率點(diǎn)的峰值是設計這個(gè)濾波器的主要指導思想。這3個(gè)頻率點(diǎn)分別是：

第一級濾波器的諧振頻率：

第二級濾波器的諧振頻率：

第3個(gè)頻率點(diǎn)就是DC/DC 變換器的開(kāi)關(guān)頻率f。

下面具體討論濾波器設計方法，即選取LC 網(wǎng)絡(luò )中元件參數的方法。由上面3個(gè)式子，3個(gè)頻率點(diǎn)對應的傳遞函數的幅值分別為：

元件參數選取方法討論如下：

為了限制1 f 點(diǎn)的諧振峰值，要求插入衰減20logH1＝20logC1/C2＜0，即C1/C2＜0。

根據經(jīng)驗，它們的比值范圍為
C1/C2＝0.1～0.5 （7）

為了限制f2點(diǎn)的諧振峰值，同理選取
L1/L2＝0.1～0.5 （8）

為了限制f 點(diǎn)的諧振峰值，要求20logH3＝－20～－150dB，即
H3＝0.1～0.5 （9）

元件參數選取步驟歸納如下：

（1）由(7)～(9)式確定了比值，這樣只有二個(gè)參數是獨立的；

（2）由于濾波器負載側（開(kāi)關(guān)電流i(t)側）諧波分量較大，C2應選一個(gè)大容量電容器；

（3）由(1)、(2)步結果代入(9)式，就可以確定另一個(gè)獨立參數。

由直流側電源Us確定電容器額定電壓值Uce≥2Us。

例如：若開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率f＝50kHz，Us＝24V，由上述參數選取原則，選取二組參數見(jiàn)表1。

表1 元件參數