开关电源EMI滤波器的设计与仿真

 摘 要：滤波是抑制传导干扰的一种常用方法，为了提高滤波器性能和缩短开发时间，针对DC-DC开关电源介绍一种简单且效果良好的滤波器设计方法。阐述EMI电源滤波器的基本原理、拓扑结构、设计原则和滤波器件的高频特性，建立滤波器插入损耗仿真模型，对设计结果进行分析，最后通过实际测试，验证设计方法的正确性。同时，在EMI电源滤波器设计的基础上，对滤波器进行拓展功能的电路设计，主要针对开关动作所引起的浪涌电压。
关键词：网络理论；EMI电源滤波器；插入损耗；开关电源

    目前，在我国绝大多数工程设计中，尤其是在设计初期，很少考虑设备内部电路对内以及对外的电磁干扰问题，致使许多电力电子装置性能都不能得到理想效果。往往是问题出现了才去寻找原因与解决方案，这既耗时又耗力，而且加大了产品的成本。因此，提高电力电子装置的电磁兼容性已成为十分重要的问题。为了提高产品质量与可靠性，缩短产品的开发周期，则要求进一步加强对电力电子装置电磁干扰特性的研究，特别是在设计初期，则考虑设备电路之间的电磁干扰是十分必要的，然而电磁干扰滤波器是提高电力自动化设备电磁兼容性的重要器件之一。

1 研究方法和实验方案
1．1 开关电源频率分布
    根据开关电源产生共模、差模干扰的特点，可以粗略按干扰的分布划分3个频段：O．15～0．50 MHz差模干扰为主；O．5～5 MHz差模、共模干扰共存；5～30 MHz共模干扰为主。
1．2 共模和差模等效电路
    在进行EMI电源滤波器电路结构分析时，通常将共模干扰和差模干扰分开分析，分别计算各自等效电路的A参数矩阵，并得出对应的插入损耗。分别给出滤波器在理想状态下的共模等效电路和差模等效电路如图1、图2所示。

1．3 干扰信号分析
    近年来，共模和差模干扰信号分离技术发展日渐成熟，可通过多种方法获得共模和差模干扰信号各自的相量成分大小。常用的干扰信号分离方法有电流探棒、差模拒斥网络以及干扰分离器等。在进行传导型电磁干扰测量时，必须使用传输线阻抗稳定网络，它是电磁兼容检测规定的线性阻抗固定网络，其主要功能是提供待测物工作电源，隔绝外部干扰，并提供一个固定阻抗，以摄取待测物干扰，利用频谱分析仪读取干扰的大小，测量电路如图3所示。当分别获知干扰源共模和差模干扰大小时，便可利用共模和差模等效滤波电路，并依据所需的衰减量设计适当的元件值。
    根据现有条件，通过对测试结果和标准要求的综合分析可得滤波器抑制共模和差模干扰需要达到衰减量。共模和差模插入损耗与频率对应关系如表1所示。

2 程序设计及仿真
    所有算法采用Matlab语言编程实现。从程序功能分为滤波器设计和滤波器分析两大模块。
2．1 共模电感和差模电感的计算
    共模电感和差模电感的计算频点是根据开关电源的工作频率来取值的，分别是工作频率、谐波频率及几个高频点。
2．2 仿真结果分析
    测试工作是对EMI电源滤波器性能做出评价的重要依据，一般在电磁中进行。电磁屏蔽室是能够提供防止电磁干扰、净化电磁环境试验场所插入损耗常用的设备，一般是频谱分析仪、人工电源网络等，该实验使用的分析仪型号为 HP3585ASPECTRUMAN ALYZER20 Hz～40 MHz。表2所示为滤波器实际测得的共模和差模插入损耗。
2．3 结论
    通过一个直流EMI电源滤波器的设计实例，阐述滤波器的整个设计流程。设计过程主要包括：首先明确EMC规范要求，选择滤波电路结构，并使用网络理论进行分析，同时在分析干扰信号的基础上给出滤波器的共模和差模插入损耗设计指标。在此使用 Matlab软件建立滤波器仿真模型，通过编程计算出部分滤波元件的参数，并分别对滤波器的理想及高频电路模型进行仿真分析，讨论元件参数、高频分布参数及源、负载阻抗对滤波器频率特性的影响。最后通过实验验证滤波器设计方法和仿真模型的正确性。在此使用的滤波器设计方法同样适用于多级滤波器、交流单相滤波器及交流三相滤波器。

3 结 语
    总之，本设计是建立在网络理论上的EMI电源滤波器设计技术，能严格保证滤波器网络的稳定性和网络传输特性，使其弥补以前经验设计的不足。同时结合实际工程技术，使设计方案更加实用，缩短滤波器的开发周期，并节省研发成本。该设计方法使该设备具有抑制电气电子设备的传导干扰，提高电气电子设备传导敏感度水平，保证电气电子设备整体或局部屏蔽效能等优点，同时具有结构简单，性能可靠，操作方便，有较好的实用价值。