開關電源EMI濾波器的設計與仿真

摘 要：濾波是抑制傳導干擾的一種常用方法，為了提高濾波器性能和縮短開發時間，針對DC-DC開關電源介紹一種簡單且效果良好的濾波器設計方法。闡述EMI電源濾波器的基本原理、拓撲結構、設計原則和濾波器件的高頻特性，建立濾波器插入損耗仿真模型，對設計結果進行分析，最后通過實際測試，驗證設計方法的正確性。同時，在EMI電源濾波器設計的基礎上，對濾波器進行拓展功能的電路設計，主要針對開關動作所引起的浪涌電壓。
關鍵詞：網絡理論；EMI電源濾波器；插入損耗；開關電源

目前，在我國絕大多數工程設計中，尤其是在設計初期，很少考慮設備內部電路對內以及對外的電磁干擾問題，致使許多電力電子裝置性能都不能得到理想效果。往往是問題出現了才去尋找原因與解決方案，這既耗時又耗力，而且加大了產品的成本。因此，提高電力電子裝置的電磁兼容性已成為十分重要的問題。為了提高產品質量與可靠性，縮短產品的開發周期，則要求進一步加強對電力電子裝置電磁干擾特性的研究，特別是在設計初期，則考慮設備電路之間的電磁干擾是十分必要的，然而電磁干擾濾波器是提高電力自動化設備電磁兼容性的重要器件之一。

1 研究方法和實驗方案
1．1 開關電源頻率分布
根據開關電源產生共模、差模干擾的特點，可以粗略按干擾的分布劃分3個頻段：O．15～0．50 MHz差模干擾為主；O．5～5 MHz差模、共模干擾共存；5～30 MHz共模干擾為主。
1．2 共模和差模等效電路
在進行EMI電源濾波器電路結構分析時，通常將共模干擾和差模干擾分開分析，分別計算各自等效電路的A參數矩陣，并得出對應的插入損耗。分別給出濾波器在理想狀態下的共模等效電路和差模等效電路如圖1、圖2所示。

1．3 干擾信號分析
近年來，共模和差模干擾信號分離技術發展日漸成熟，可通過多種方法獲得共模和差模干擾信號各自的相量成分大小。常用的干擾信號分離方法有電流探棒、差模拒斥網絡以及干擾分離器等。在進行傳導型電磁干擾測量時，必須使用傳輸線阻抗穩定網絡，它是電磁兼容檢測規定的線性阻抗固定網絡，其主要功能是提供待測物工作電源，隔絕外部干擾，并提供一個固定阻抗，以攝取待測物干擾，利用頻譜分析儀讀取干擾的大小，測量電路如圖3所示。當分別獲知干擾源共模和差模干擾大小時，便可利用共模和差模等效濾波電路，并依據所需的衰減量設計適當的元件值。
根據現有條件，通過對測試結果和標準要求的綜合分析可得濾波器抑制共模和差模干擾需要達到衰減量。共模和差模插入損耗與頻率對應關系如表1所示。

2 程序設計及仿真
所有算法采用Matlab語言編程實現。從程序功能分為濾波器設計和濾波器分析兩大模塊。
2．1 共模電感和差模電感的計算
共模電感和差模電感的計算頻點是根據開關電源的工作頻率來取值的，分別是工作頻率、諧波頻率及幾個高頻點。
2．2 仿真結果分析
測試工作是對EMI電源濾波器性能做出評價的重要依據，一般在電磁中進行。電磁屏蔽室是能夠提供防止電磁干擾、凈化電磁環境試驗場所插入損耗常用的設備，一般是頻譜分析儀、人工電源網絡等，該實驗使用的分析儀型號為 HP3585ASPECTRUMAN ALYZER20 Hz～40 MHz。表2所示為濾波器實際測得的共模和差模插入損耗。
2．3 結論
通過一個直流EMI電源濾波器的設計實例，闡述濾波器的整個設計流程。設計過程主要包括：首先明確EMC規范要求，選擇濾波電路結構，并使用網絡理論進行分析，同時在分析干擾信號的基礎上給出濾波器的共模和差模插入損耗設計指標。在此使用 Matlab軟件建立濾波器仿真模型，通過編程計算出部分濾波元件的參數，并分別對濾波器的理想及高頻電路模型進行仿真分析，討論元件參數、高頻分布參數及源、負載阻抗對濾波器頻率特性的影響。最后通過實驗驗證濾波器設計方法和仿真模型的正確性。在此使用的濾波器設計方法同樣適用于多級濾波器、交流單相濾波器及交流三相濾波器。

3 結 語
總之，本設計是建立在網絡理論上的EMI電源濾波器設計技術，能嚴格保證濾波器網絡的穩定性和網絡傳輸特性，使其彌補以前經驗設計的不足。同時結合實際工程技術，使設計方案更加實用，縮短濾波器的開發周期，并節省研發成本。該設計方法使該設備具有抑制電氣電子設備的傳導干擾，提高電氣電子設備傳導敏感度水平，保證電氣電子設備整體或局部屏蔽效能等優點，同時具有結構簡單，性能可靠，操作方便，有較好的實用價值。