1、電力電子技術Power Electronics第41卷第6期2007年6月Vol.41,No.6June ,20071引言開關電源中的電磁干擾已成為一個備受關注的問題。由于開關電源中電壓和電流的快速變化,功率器件已成為傳導干擾和輻射干擾的噪聲源。EMC 設計中,通常抑制電磁干擾的措施有接地、屏蔽和濾波。實踐表明,即使是經過很好的設計,并具有正確的屏蔽和接地措施也不能提供完整的電磁干擾防護,仍然會有傳導干擾進出設備,這是因為設備或系統上的電纜處理不當會構成有效的干擾接收與發射天線。解決這一問題的最有效方法是在電纜的端口處使用濾波器。文獻1已提出交流輸入線EMI 濾波器的設計方法和系統的設計思路,

2、它只能滿足設計規格書中低頻部分EMI 濾波器的設計要求。因為實際使用的EMI 濾波器中,電感和電容存在寄生參數,必須對設計好的濾波器進行多次修正,以滿足高頻部分的要求。為此,提出了一種正好可以彌補這種設計上不足的設計方法。2EMI 電源濾波器設計EMI 電源濾波器實際上是一種低通濾波器,它毫無衰減地把50Hz ,400Hz 等直流或低頻的電源功率傳送到設備上去,卻大大衰減經電源傳入的干擾信號,同時又大大抑制了設備本身產生的干擾信號進入電源污染電磁環境2。濾波器的設計過程是:(1分離共模噪聲和差模噪聲采用功率合成器、線性阻抗穩定網絡(LISN 和接收機測量共模噪聲和差模噪聲。圖1示出其測試結果。

3、(2確定共模濾波器和差模濾波器衰減要求依照EMI 測試標準限值,通過U reqC M =U C M -U lim it(1定稿日期:2006-09-05作者簡介:王樹民(1979-,男,山東濰坊人,碩士研究生。研究方向為開關電源及其EMC 設計。一種實用的開關電源EMI 濾波器的設計方法王樹民1,張東來1,呂明海2(1.哈爾濱工業大學深圳研究生院,廣東深圳518055;2.艾默生網絡能源有限公司,廣東深圳518057摘要:根據CISPER EN550022標準提出了一種實用的開關電源EMI 濾波器設計方法。它基于線上共模噪聲和差模噪聲原理,用一種特殊的分離器將電磁干擾噪聲分離成共模噪聲和差模噪

4、聲。傳導發射是根據CISPER EN550022標準,通過線性阻抗穩定網絡和接收機進行測試。通過分析噪聲源的阻抗特性,確定了濾波器的結構。利用MathCAD 進行仿真,根據CISPER EN550022標準實施實驗,驗證了該設計方法的可行性。關鍵詞:濾波器;噪聲/開關電源中圖分類號:TN86,TN713文獻標識碼:A文章編號:1000-100X (200706-0016-03An EMI Filter Design Method for Switching Power SuppliesWANG Shu-min 1,ZHANG Dong-lai 1,L #Ming-hai 2(1.Shenzhe

5、n Graduate School of Harbin Institute of Technology ,Shenzhen 518055,China ;2.Emerson Network Power Co.Ltd.,Shenzhen 518057,China Abstract :The paper presents a very practical EMI filter design method for switching power supplies according to CISPER EN55022STANDARD.The design method is based on the

6、knowledge of base-line common mode and differential mode EMI.A special noise separator is used to separate the total conducted EMI noise into common mode and differential noise.Conducted emission tests are carried out conforming to CISPER EN55022STANDARD ,making use of LISN and re-ceiver.Noise sourc

7、e s impedance characteristic was analyzed in order that EMI filter s makeup is fixed on.Simulation was carried out by means of MathCAD.The performance tests were carried out ,according to CISPER EN55022STANDARD ,to verify the validity of the design method.Keywords :filter ;noise/switching power supp

8、lies 圖1共模噪聲和差模噪聲測試結果圖中u E 噪聲電壓16U reqD M =U D M -U lim it(2式中U lim it 傳導EMI 測試標準限值確定共模濾波器和差模濾波器的衰減要求3。由于共模噪聲和差模噪聲都在很寬的頻率內超標,設計的衰減要求要保證所有頻率點都能滿足,當然最終還是要通過實驗來確定。考慮到接收機有漏點的可能性,進一步用頻譜分析儀確定噪聲幅值的大小,并加上工程設計裕量6dB V 。圖2示出設計共模濾波器和差模濾波器的衰減要求。(3分析噪聲源的阻抗特性,確定共模濾波器和差模濾波器的結構圖3a 示出共模噪聲源的典型電路。當開關管截止時,集電極和發射極之間的電壓快速上

9、升,它產生的電流經集電極與地之間的分布電容返回整流橋。這一按開關頻率工作的脈沖串電流就是共模噪聲4。若晶體管的外殼接地,變壓器的另一端按圖3a 電路方式接地,分布電容包含兩個支路。一路是在晶體管集電極與散熱片之間;一路是在變壓器初級與次級線圈之間。圖3b 示出在10kHz1MHz 開關頻率范圍內,共模噪聲源的并聯模型。由此可知,對共模干擾而言,開關電源作為干擾源是高阻源,LISN 網絡是低阻的被干擾負載。考慮到插入損耗要求較高,選擇二級LC 級聯網絡,而LC 濾波器的插入損耗為40dB/十倍頻,則共模濾波器的插入損耗為80dB/十倍頻,在共模濾波器衰減要求中畫一條80dB/十倍頻的線,以保證覆

10、蓋所有的共模噪聲,得到共模濾波器的剪切頻率f C C M =65kHz ,見圖2a 。由圖1a ,b 可見,差模噪聲相對于共模噪聲要小得多,考慮到電源模塊的體積,設計差模濾波器時利用共模電感的差模分量,差模濾波器采用單級T 型濾波器,而T 型濾波器的插入損耗為60dB/十倍頻,在差模噪聲衰減中畫一條60dB/十倍頻的線,以保證覆蓋所有的差模噪聲,得到差模濾波器的剪切頻率f C D M =21.5kHz ,見圖2b 。(4確定共模濾波器參數為了簡化計算過程,假定兩級共模電感相同,為L ;Y 電容相同,為C 。先定義共模濾波器和差模濾波器的衰減系數為:CM atten 或DM atten =I L

11、ISN (withoutfilter I LISN (withfilter (3式中I LISN (withfilter 有濾波器流過LISN 的電流I LISN (withoutfilter 沒有濾波器流過LISN 的電流CM atten =Z 1+Z 1Z 2Z 1+2Z 2+Z22Z 1+2Z 2Z 22Z 1+2Z 2=Z 12+3Z 1Z 2+Z 22Z 22(4式中Z 1=j LZ 2=1j L 利用CM atten =0可得剪切頻率f C C M 、電感L 和電容C 之間的關系,根據經驗和漏電流限制選Y 電容C=4400pF ,剪切頻率已從第三步中得到,因而可確定L=5mH 。(

12、5確定差模濾波器參數同樣,假定差模濾波器的電感相同,為L 1,電容為C 1。差模濾波器的電感量為共模電感的差模分量,根據測量和工程經驗,取0.5100L=25H 。同樣根據式(3可得差模濾波器的衰減系數為:CM atten =j 1L 1+1j 1C 11j 1C 1=1-12L 1C 1(5式中1=2f C D M 利用DM atten =0可得剪切頻率f C D M 、電感L 1和電容C 1之間的關系。已知電感值,且剪切頻率已經從第三步中得到,從而可確定電容值C 1=2.2F 。(6共模濾波器和差模濾波器合成圖4示出合成第四步和第五步設計的濾波器得到的整個濾波器結構。3濾波器仿真和實驗采用

13、MathCAD 軟件對設計的濾波器進行了仿圖2衰減要求圖3共模噪聲源電路及其等效電路圖4濾波器結構一種實用的開關電源EMI 濾波器的設計方法17電力電子技術Power Electronics第41卷第6期2007年6月Vol.41,No.6June ,2007!(上接第7頁輸出電壓與控制電感電流波形。(6首先確定電壓外環控制對象,然后根據性能指標,設計調節器。由于電流環的頻率遠大于電壓環,所以電壓調節器的控制對象,近似看作積分環節(輸出電容,電壓調節器可采用常規零、極點補償(PI 調節器加極點的方法予以實現,簡化了調節器的設計。為避免校正波形失真,電壓調節器的剪切頻率,應遠低于正弦半波頻率10

14、0Hz.該設計選取20Hz 。同時,將極點設置在開關頻率為100kHz 處,以衰減由功率開關引起的噪聲。(7采用霍爾器件檢測電流,參數選擇應考慮輸入電壓最小與輸出功率最大的情形。檢測的電流信號,需經過RC 濾波器濾除高頻干擾,經過放大,與電壓調節器輸出信號現減,送到比較器負端,與電壓調節器輸出經過積分的值比較,形成PWM 信號,實現單周控制,見圖1。圖3a 示出VQ 1的驅動電壓u gV Q 1和漏源電壓u dsV Q 1的實驗波形。可見,VQ 1實現了零電壓開通。圖3b 示出整流橋的輸出電流i in 實驗波形。可見,實現了功率因數校正。4結論基于單周控制與零電壓過渡軟開關技術,設計了有源功率

15、因數校正電路。該電路的整個變換電路結構簡單,魯棒性好。應用零電壓過渡技術,降低了電路的開關損耗和電磁干擾,提高了裝置效率。該設計的電路適用于開關電源的前級輸入功率因數校正,有著良好的應用前景。參考文獻1Keyue Ma Semdley ,Slobodan Cuk.One -Cycle Control of Switching Converters J.IEEE Trans.on Power Electron-ics ,1995,10(6:625633.2Chang-Ming Liaw ,Thin-Huo Chen.A Soft-Switching Mode Rectifier with Pow

16、er Factor Correction and High Frequen-cy Transformer LinkJ.IEEE Trans.on Power Electronics ,2000,15(4:644654.3Gurunathan R ,Bhat A K S.A Zero-Voltage Transition Boost Converter Using A Zero-Voltage Switching Auxiliary Cir-cuit J.IEEE Trans.on Power Electronics ,2002,17(5:658668.4Jean-Christophe Creb

17、ier ,Bertrand Revol ,Jean Paul Fer -rieux.Boost-Chopper-Derived PFC Rectifiers:Interest and RealityJ.IEEE Trans.on Industrial Electronics ,2005,52(1:3645.5Chien-Ming Wang.A Novel Zero-Voltage-Switching PWM Boost Rectifier with High Power Factor and Low Conduc-tion Losses J.IEEE Trans.on Industrial E

18、lectronics ,2005,52(2:427435.圖3實驗結果真,并實施了實驗。圖5a 示出濾波器的仿真結果。由仿真結果可見,設計的濾波器能夠有效濾除噪聲,并滿足測試標準的限值。圖5b 示出設計的濾波器用于電源模塊時的實驗結果。可見,該實驗結果能滿足傳導EMI 測試的要求。4結論和展望通過對噪聲進行共模和差模分離,提出了一種實用的EMI 濾波器設計方法。通過MathCAD 仿真加以優化,最后經過實驗驗證了該設計方法的可行性。隨著開關電源功率密度的提高,電源模塊內部的電磁環境越來越復雜,高頻濾波器特性的變化,輸入輸出之間存在的耦合,磁性元器件的非線性等都將在濾波器的設計中予以考慮。參考文獻1Caponet M C ,Profumo F ,Tenconi A.EMI Filter Design for Power Electronics A.IEEE PESC 02Conf.Proc.C.2002:20272032.2孟進,馬偉明,張磊,等.開關電源變換器傳導干擾分析及建模方法J.中國電機工程學報,2005,25(5:4954.3Cadirci B Saka ,Y Eristiren.Pra