直流電機伺服驅動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的EMI濾波器設計

電磁干擾濾波器(EMI Filter)是近年來(lái)被推廣應用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高伺服系統和電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性，可廣泛用于電子測量?jì)x器、計算機機房設備、開(kāi)關(guān)電源、測控系統等領(lǐng)域。本文介紹的就是一種直流電機伺服驅動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的EMI濾波器設計。

濾波器設計

根據直流電機伺服驅動(dòng)開(kāi)關(guān)電源系統的特點(diǎn)，本設計中的EMI濾波器采用雙級LC網(wǎng)絡(luò )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。

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：

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：

為了限箭f1點(diǎn)的諧振峰值，要求插入衰減

zollogH1=zologC1／C2＜0，即C1

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。

(4) 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。

EMI濾波器的技術(shù)參數及測試方法

主要技術(shù)參數

EMI濾波器的主要技術(shù)參數有：額定電壓、額定電流、漏電流、測試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗AdB、外形尺寸、重量等。上述參數中最重要的是插入損耗(亦稱(chēng)插入衰減)，它是評價(jià)電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標。

插入損耗(AdB)是頻率的函數，用dB表示。設電磁干擾濾波器插入前后傳輸到負載上的噪聲功率分別為P1、P2，有公式：

AdB=101g(P1／P2) (10)

假定負載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12／Z，P2=V22／Z。式中V1是噪聲源直接加到負載上的電壓，V2是在噪聲源與負載之間插入電磁干擾濾波器后負載上的噪聲電壓，且V1

AdB=201g(V1／V2) (11)

插入損耗的測量方法

插入損耗用分貝(dB)表示，分貝值愈大，說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強。測量插入損耗的電路如圖3所示。US是噪聲信號發(fā)生器，Zi是信號源的內部阻抗，ZL是負載阻抗，一般取50Ω。噪聲頻率范圍可選10kHZ～30MHz。首先要在不同頻率下分別測出插入前后負載上的噪聲壓降V1、V2，再代入(11)式中計算出每個(gè)頻率點(diǎn)的AdB值，最后繪出插入損耗曲線(xiàn)。

結語(yǔ)

實(shí)驗結果表明本文設計的LC雙級濾波器具有濾波效果好、結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、實(shí)用性強等特點(diǎn)。