開關(guān)電源EMI濾波器的設(shè)計(jì)仿真

第３５卷第４期黑龍江水專學(xué)報(bào)Ｖ０１．３５，Ｎｏ．４２００８年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｃ．，２００８文章編號：１０００—９８３３（２００８）０４—００７１－０３開關(guān)電源ＥＭＩ濾波器的設(shè)計(jì)仿真姜禹強(qiáng)１，康爾良１，趙鵬２（１．哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱１５００４０ｔ２．哈爾濱第二電業(yè)局計(jì)劃部。哈爾濱１５００７６）摘要：分析了開關(guān)電源的共模噪聲和差模噪聲。在開關(guān)電源濾波器阻抗失配的原則下設(shè)計(jì)了濾波器的結(jié)構(gòu)。給出了開關(guān)電源的差模等效電路和共模等效電路模型，介紹了主要參數(shù)的選取，并用ＰＳｐｉｃｅ軟件對濾波器插入損耗進(jìn)行了仿真，給出了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；濾波器；插入損耗中圖分類號：ＴＮ８６文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ＡＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＤｅｓｉｇｎＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＥＭＩＦｉｌｔｅｒＪＩＡＮＧＹｕ－ｑｉａｎ９１，ＫＡＮＧＥｒ．１ｉａｎ９１，ＺＨＡＯＰｅｎ９２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖ．ｏｆＳｃｉ．ａｎｄＴｅｃｈ．，ｔｔａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｏ．２ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＢｕｒｅａｕｏｆＨａｒｂｉｎ，Ｈａｒｂｉｎ１５００７６，Ｃｈｉｒｍ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｎｏｉｓｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅｎｏｉｓｅ．Ｂａｓｅｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｉｎｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｉｓｍａｔｃｈｅｓｗｉｔｈｔｈｅｏｕｔｐｕｔｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｕｉｌｄｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍｏｄｅｌｓｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙＥＭＩｆｉｌｔｅｒａｎｄｄｅｃｒｙｐｔｓｈｏｗｔｏｓｅｌｅｃｔｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＴｈｅｎｉｔｇｉｖｅｓｏｕｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｆｉｌｔｅｒｓｕｓｉｎｇｂｙＰＳｐｉｃｅａｎｄｇｅｔｓｒｅｓｕｌｔｓ．．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｆｉｌｔｅｒ；ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌＯＳＳ開關(guān)電源以其體積小，重量輕，效率高，穩(wěn)壓范信號來表示。差模干擾是火線與零線間流動的電流圍廣，電路形式靈活等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中得到噪聲，共模干擾是火線或零線與地線間流動的電流了越來越普遍的應(yīng)用。隨著國際和國內(nèi)電磁兼容噪聲。抑制差模干擾信號和共模十?dāng)_信號普遍有效（ＥＭＣ）法規(guī)的日益完善和嚴(yán)格執(zhí)行，設(shè)計(jì)和解決開關(guān)的方法就是在開關(guān)電源輸入電路中加裝電磁干擾濾電源產(chǎn)品的電磁干擾問題顯得尤為重要。開關(guān)電源波器。的工作頻率較低，一般只有幾十ｋＨｚ到２００ｋＨｚ，其開關(guān)電源的輸入濾波器是由無源器件電容和電諧波成分的騷擾頻率范圍也＜３０ＭＨｚ，多數(shù)開關(guān)電感構(gòu)成的低通濾波器。文獻(xiàn)Ｅ１］指出，電源濾波器的源的尺寸＜３０ＭＨｚ所對應(yīng)的波長（１０ｍ），故在小性能很大程度上取決于其端阻抗，即電源端差模、共功率開關(guān)電源中抑制傳導(dǎo)干擾顯得尤為重要。模阻抗和負(fù)載端差模、共模阻抗。根據(jù)信號傳輸理由于日ｍ傳導(dǎo)干擾通常難以精確描述，所以ＥＭＩ論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與濾波器通常是經(jīng)過反復(fù)迭代計(jì)算來逐次逼近設(shè)計(jì)要負(fù)載端的端接應(yīng)遵循阻抗極大不匹配原則。因此，求，計(jì)算設(shè)計(jì)過程相當(dāng)繁復(fù)。利用ＰＳｐｉｃｅ的強(qiáng)大仿真濾波器設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循：①源內(nèi)阻是高阻（低阻）的，功能可以大大提高工作效率。本文給出了濾波器的共濾波器輸入阻抗就應(yīng)該是低阻（高阻）；②負(fù)載是模和差模等效電路模型、并介紹利用ＰＳｐｉｃｅ軟件對共高阻（低阻）的，則濾波器輸出阻抗就應(yīng)該是低阻（高模、差模等效電路的插入損耗進(jìn)行仿真分析的方法。阻）。開關(guān)電源作為噪聲源是高阻抗的，所以濾波器的輸出端應(yīng)當(dāng)是低阻抗的電容器Ｃｘ２。而電源端１ＥＭＩ濾波器的結(jié)構(gòu)的火線Ｌ與零線Ｎ間是低阻抗的，所以濾波器的輸在線路中的傳導(dǎo)干擾信號，均可用差模和共模入端是高阻抗的電感器，為減小體積，降低成本，采用共模電感漏感作為差模電感。為進(jìn)一步抑制差模收稿日期：２００８—１０—０８；修訂日期：２００８—１０—１５噪聲，在濾波器輸人端增加一個差模電容Ｃｘ，，Ｃｘｘ作者簡介：姜禹強(qiáng)（１９７８一），男。黑龍江密山人，碩士研究生，研究的容抗要比火線Ｌ，零線Ｎ的線間阻抗低得多，所方向：永磁同步電機(jī)適量控制，Ｅ－ｍａｉｌ：ｕｎｄｅａｄｂｉｒｄｓｓ＠ｓｏｈｕ．ｏＤｍ。以Ｃｘ。的電容選的比較大。在濾波器的輸出端由對萬方數(shù)據(jù)７２黑龍江水專學(xué)報(bào)第３５卷ｌＩ－２插入損耗計(jì)算公式一Ｃ巡Ｉ廠］Ｉ簋。號＝＝＝＝＝｝卜—－１ＩＩＩｘｌＣｘ２插入損耗是ＥＭＩ濾波器的重要參數(shù)，插入損耗越大，抑制噪聲的能力越強(qiáng)。插入損耗的定義為，沒有濾波器接人時，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率Ｐ，和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率Ｐ。之比，用ｄＢ（分貝）表示。工．Ｌ＝ＩＯ１９（魯）（１）肛鬟＾一罷㈣所以兒卸?ｇ（甏）翎－ｇ（謗）㈤盱撬由圖２得（４）設(shè)圖３二端Ｅｌ網(wǎng)絡(luò)的Ａ參數(shù)矩陣為Ａ—Ｐ印２ｌ則：ｆＶ２：ａｌｌＵ＋口１２ｊ２ＪＪ１吼ｚＭｈ２２Ｌ（５）Ｖ２＝２ＶＳ——１１Ｚｓ【Ｖ３一Ｉｚ乙解方程組得耽一石干石瓦再ｇｉｓ茅瓦瓦（６）將式（４），式（６）代人式（３）得插入損耗計(jì)算公式“－２０ｌ刮地盤毒嘗互地ｌ（７）圖２未接濾波器等效電路圖３接濾波器等效電路Ｆｉｇ．２ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌＦｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆ１１０ｆｉｌｔｅｒｗｉｔｈｆｉｌｔｅｒ萬方數(shù)據(jù)３共模。差模等效電路濾波電路中，共模和差模兩種濾波元件對彼此的噪聲都有抑制作用，將濾波器電路圖１分解為共模等效電路和差模等效電路見圖４，圖５，其中：Ｌ如為共模電感的漏感Ｌ。一ＬＣｙｌ一Ｃｎ—Ｃｖ，１ｅ—Ｇ２－Ｆ一百｛．－－＇Ｙ１二王Ｅ工圖４共模等效電路圖５差模等效電路Ｆｉｇ．４ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆＦｉｇ．５Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅ共模等效電路Ａ參數(shù)矩陣為．ｒｌ一御２Ｌ。Ｃ，Ｊｃ止。］＾一ｌＬ歹∞Ｇｉ∞ｃ。１１－ＪＪ差模等效電路Ａ參數(shù)矩陣為Ａ＝＝廣１一∞２Ｌ。Ｃ，歹亂ＩＬｄｍ］Ｌ歹叫（Ｇ１＋ｅ一（ｃＪ２ＣｌｅＬ如１—０＃２Ｌ，ｂ。Ｃ，１．Ｊ將Ａ參數(shù)矩陣數(shù)值帶人插入損耗計(jì)算得共模等效電路插入損耗為Ｊ．Ｌ＝１０ｌｇ［（磊一塒２Ｌｃ。Ｃ。ＺＬ＋Ｚｓ）２＋（叫Ｃ。ＺｓＺＬ＋ｃ吐Ｌ。。）２］一２０ｌｇ（Ｚｓ＋乏Ｉ）差模等效電路插入損耗為Ｉ．Ｌ一１０ｌｇ［（ＺＬ—Ｚ２∞２Ｌ幽Ｃ，＋Ｚｓ—Ｚ洲２Ｌ如Ｃ。１）２＋（似Ｌ渤＋∞ＺｓＺｆ，Ｃ，１＋∞磊ＺＬＣ，一∞３ＺｓＺＬＣ，１ＧＬ幽）２］－－２０ｌｇ（Ｚｓ＋ＺＬ）上述公式給出了插入損耗與電路參數(shù)的關(guān)系。在實(shí)際情況下，開關(guān)電源的阻抗值隨頻率的變化而變化，濾波器一般１二作在阻抗不匹配的狀況，可利用專門的儀器，測量出干擾源的等效阻抗和負(fù)載等效阻抗，以及未加濾波器之前的共模和差模干擾的頻譜，然后就可以根據(jù)ＥＭＩ濾波器的共模和差模模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。參數(shù)計(jì)算的過程中，為簡化計(jì)算，減少變量，設(shè)源阻抗磊，負(fù)載阻抗均五為５０Ｑ。在一定的條件下，濾波電容的值盡量選得比較大。共模電容的失效會導(dǎo)致電流泄露，容易引起觸電。故共模電容有最大漏電流的限制，應(yīng)＜０．０１＿ｕＦ。差模電容失效后不會造成人員的電擊，所以差模電容可第４期姜禹強(qiáng)，等．開關(guān)電源ＥＭＩ濾波器的設(shè)計(jì)仿真７３取大些，一般為１～５肚Ｆ。確定了源阻抗己，負(fù)載阻抗ＺＬ，差模電容，共模電容的值后，上述公式就變成了以Ｌ為自變量，Ｊ．Ｌ為因變量的一元函數(shù)。在已知ＥＭＣ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)頻段下的插人損耗值時，就可利用上述公式求出電感的值。對開關(guān)電源干擾信號進(jìn)行分析，確定各頻率點(diǎn)對應(yīng)的所需插入損耗的值，由插入損耗計(jì)算公式求出等效共模電感的值。經(jīng)計(jì)算，得共模電感的值為５．６ｍＨ。４共模，差模等效電路的ＰＳｐｉｃｅ仿真?。遥蟆遥桃唬担埃?，共模電容ｃｙ，一Ｃｙ２—２２００ｐＦ，差模電容Ｃｘｌ—Ｃｘ２—０．６８ＦＦ，共模電感Ｌ。一５．６ｍＨ，取差模電感Ｌ如一Ｌ。／１００—０．０５６ｍＨ。圖６無濾波器ＰＳｐｉｃｅ仿真模型在ＰＳｐｉｃｅ建立仿真Ｆｉｇ．６ＰＳｐｉｅｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ模型見圖６～圖８。ｍｏｄｄｏｆｎｏｎｎ盯元件的寄生參數(shù)也會極大地影響濾波器的高頻特性。因?yàn)樵诟哳l時，濾波器的分布電感，分布電容的影響不能忽略，建立濾波器高頻等效電路模型見圖９，圖１０，所仿真出的結(jié)果更接近實(shí)際情況。圖７共模等效電路ＰＳｐｉｃｅ圖８差模等效電路ＰＳｐｉｅｅ仿真模型仿真模型Ｆｉｇ．７ＰＳｐｉｅｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌＦｉｇ．８ＰＳｐｉｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅ圖９高頻共模等效電路模型圖１０高頻差模等效電路模型Ｆｉｇ９Ｈｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ№１０Ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｍｏｄｅｌｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅ同理可在ＰＳｐｉｃｅ下建立高頻等效電路仿真模型，建立濾波器高頻等效電路模型，取元器件的高頻分布參數(shù)見表ｌ。萬方數(shù)據(jù)表１高頻分布參數(shù)值Ｔａｂｌｅ１Ｖａｌｕｅｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓ在ＰＳｐｉｃｅ下執(zhí)行交流掃描分析，結(jié)果見圖１１，圖１２。同理，可以使用相同的方法方便地設(shè)計(jì)仿真其它各種形式的ＥＭＩ濾波器。Ｏ№１０ｋＨｚ０００ｋＨｚ１０Ｍ’ＨｚＤＢ（Ｖ（Ｖｉｎ）Ｖ（Ｖｌｘｃｍ））Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ圖１１差模插入損耗№ｎＩｎｓｅｒｔｉｏｎｌＯＳＳｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅＬ）Ｂ（Ｖ（Ｖｉｎ）Ｖ（Ｖｌｘｃｍ））Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ圖１２共模插入損耗Ｆｉｇ．１２Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅ５結(jié)語開關(guān)電源干擾的抑制是一個十分復(fù)雜的問題，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時，應(yīng)對電源可能的電磁干擾問題進(jìn)行充分估計(jì)。根據(jù)ＣＩＳＰＲ的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以采用Ｒｓ／ＲＬ—Ｏ．１Ｑ／１００Ｑ及尺ｓ／ＲＬ＝１００ｎ／ｏ．１Ｑ的測量方法對濾波器性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文首先確定了濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并給出了濾波器的等效電路，經(jīng)過仿真分析，取得了預(yù)期的結(jié)果。參考文獻(xiàn)：ＥＩ］張逸成，韋華，朱學(xué)軍．等．開