開(kāi)關(guān)電源直流EMI濾波器的設計及實(shí)現

摘要：介紹了基于二端口網(wǎng)絡(luò )理論的開(kāi)關(guān)電源直流EMI濾波器設計的一般原理和方法。該原理適合于任何濾波器的設計，在實(shí)際應用中取得了良好的濾波效果。

關(guān)鍵詞：EMI濾波器；輸入導納；輸出阻抗

引言

電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對電子儀器和設備提出了更高的要求：性能上，更加安全可靠；功能上，不斷增加；使用上，自動(dòng)化程度越來(lái)越高；體積上，要日趨小型化。這使得具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面得到了日益廣泛的應用。但是，在開(kāi)關(guān)穩壓電源中，開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其交變電壓和電流會(huì )通過(guò)電路的元器件產(chǎn)生很強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾嚴重地污染了市電電網(wǎng)，影響了鄰近電子儀器及設備的正常工作；同時(shí)，由于這一缺點(diǎn)，使得開(kāi)關(guān)電源無(wú)法應用于一些精密的電子儀器中，因此，盡量降低開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，提高其使用范圍，是從事開(kāi)關(guān)電源設計必須考慮的問(wèn)題[1]。

本文應用了二端口網(wǎng)絡(luò )的原理，對開(kāi)關(guān)電源中直流EMI濾波器進(jìn)行了分析，給出了直流EMI濾波器設計的一般方法及相關(guān)參數的計算方法。

1 基于二端口網(wǎng)絡(luò )直流EMI濾波器的設計

目前廣泛使用的開(kāi)關(guān)電源，無(wú)論單橋式、推挽式、半橋式、全橋式都可以歸納為圖1所示的形式[2]（以單相為例）。

由圖1可以看出，通過(guò)對直流EMI濾波器的配置，可以改變電路的等效阻抗，進(jìn)而達到預期的濾波效果。

直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡(luò )模型如圖2所示。其混合參數方程為

式中：g11為輸入導納；

g22為輸出阻抗；

g12為反向電流增益；

g21為正向電壓增益。

由式（1）可以等效出如圖3所示的原理圖。

直流EMI濾波器設計必須滿(mǎn)足以下幾項要求：

1）要保證濾波器在濾波的同時(shí)，不影響電源的帶負荷能力；

2）對于輸入的直流分量，要求濾波器盡量不造成衰減；

3）對于諧波分量，濾波器要有良好的濾波效果。

結合混合參數方程及等效原理圖,由要求1）知，濾波器的輸入導納和輸出阻抗要盡可能小，即g11=g22=0

由要求2）知，低頻時(shí)，反向電流增益g12和正向電壓增益g21設計值要盡量為1，而輸入導納和輸出阻抗要盡可能小,也即g12=g21=1，g11=g22=0；

由要求3）知，高頻時(shí)，g11，g12，g21，g22都要盡可能地小。

以上的分析結論就是直流EMI濾波器設計的一般方法及濾波效果的評判標準。

2 實(shí)例分析

LC濾波器和四階直流線(xiàn)路濾波器是工程實(shí)際中常用的濾波器,下面就以上面的結論分析其濾波效果。圖4為L(cháng)C濾波器原理圖。

其混合參數方程為

對于直流分量，由于f趨向于0，對應有ω=2πf趨向于0；顯然g11=g22=0；g12=g21=1。

對于諧波分量，

考慮到當ωL>10時(shí)，顯然有g(shù)11=g12=g21=g22=0。分析系統的輸入導納和輸出阻抗，要保證輸入導納g11趨向于0，必然使得L取值很大；要保證輸出阻抗g22趨向于0，必然使得C取值同樣很大，這給工程實(shí)際應用帶來(lái)了局限性，這也正是LC濾波器的缺點(diǎn)。

在工程實(shí)際中廣泛應用的四階直流線(xiàn)路濾波器其原理圖如圖5所示。

其混合參數方程為

如果令z=1/L1sg，則可以求得相應的參數如下：

g11=gz；g12=g21=z；g22=－L1sz。

下面分析此濾波器電壓傳遞函數的幅頻特性，濾波器的電壓傳遞函數為

將參數g代入，應用MATLAB做出其對數幅頻特性曲線(xiàn)如圖6所示。

顯然，在低頻段輸出電壓的衰減較小，高頻段的濾波效果比較明顯。

由以上分析可以看出，由于此電路元件參數的選擇范圍較寬,因此較容易設計出滿(mǎn)足設計要求，且適用于工程實(shí)際的濾波器。作者已將此電路應用到了為長(cháng)沙某公司所設計的開(kāi)關(guān)電源中。

設計要求為：

1）輸入1000V的尖峰電壓,最大產(chǎn)生20A電流；

2）濾波器輸出電流從0～25A變化時(shí)，造成513V電壓波動(dòng)不超過(guò)2％。

據此設計要求可得到設計允許值為：

g11=20/1000=0.02；

g22=U/I=(513＊2％)/25=0.4。

最終選定的參數值為：

L1=500μH；L2=140μH；R0=0.3Ω；

C1=470μF；C2=40μF。

將這組參數值代入式(3)得到:

g=5；z=0.003；

g11=gz=0.015；g12=g21=0.003；g22=0.2。

加入此濾波器前后開(kāi)關(guān)電源輸出電壓波形如下圖7所示。

3 結語(yǔ)

本文應用二端口網(wǎng)絡(luò )原理，對開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的設計要求進(jìn)行了分析總結，得出了3條設計要求，它適合于任何濾波器的設計。從該設計要求出發(fā)，可以對現有的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器性能進(jìn)行分析。本文給出了一個(gè)應用該要求設計出的EMI濾波器，并用在了工程實(shí)際，運行結果表明該原理理論性與實(shí)踐性均較好，具有通用性。