（电力电子与电力传动专业论文）emi电源滤波器的设计和研究.pdf

量塞銮道厶堂亟堂篮堕辽一 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t he x p a n d i n gs w i t c hp o w e rp r o d u c t ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ld e s i g nh a sb e e no n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t sd u r i n gt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o c e s s o fs w i t c hp o w e r c o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d so fe m ch a v eb e e n r e q u i r e dw h i c hs w i t c hp o w e rs h o u l ds a t i s f y s w i t c hp o w e ro f h i g hf r e q u e n c yi ss e n o u s e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) s o u r c e ，s oe m i s o u r c ef i l t e ru s u a l l ys h o u l db ea d d e d i ns w i t c hp o w e r t r a d i t i o n a le m is o u r c ef i l t e rd e s i g nh a sb e e nc o m p l e xc a l c u l a t l o n ， c o n l p l e xd e s i g na n dt i m e sl o n go ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i no r d e rt ol m p r o v e m ep e b n n a n c eo ff i l t e ra n ds h o r t e nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt i m e ，as i m p l ea n d g o o de f i e c tf i l t e rd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e di nt h i s d i s s e r t a t i o nf o rd c - d cs w i s h p o w c i o nt h eb a s i so ft h es w i t c hp o w e r s e m ip r i m a r yc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，c o n d u c t e d r u g g e dt e c h n o l o g yf o rp o w e ri sp r o p o s e d b a s i ct h e o r y o fe m is o u r c ef i l t e r , t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo fd e s i g na n dh i g hf r e q u e n c yp e r f o r m a n c eo f f i l t e r i n gc o m p o n e n t s a r ei 1 1 u s t r a t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n m o r e o v e rn e t w o r kt h e o r ya n da p p l i c a t i o n i ne m i s o u r c ef i l t e ri sa n a l y z e d e m is o u r c ef i l t e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so fd c - d cs w i t c hp o w e ri t e mo f o n e a v i a t i o np r o d u c t b yk n o w i n ge m cs t a n d a r d s t h a ts w i t c hp o w e rs h o u l db es a t i s f y , c h a r a c t e r i s t i c so fe m is i g n a la r et e s t e da n da n a l y z e da n dp e r f o r m a n c ei n d e x e so f f i l t e r a r ep r e s e n t e d f i l t e rc i r c u i ti sa n a l y z e db yn e t w o r kt h e o r ya n df i l t e rc i r c u i tp a r 锄e t e r s a r ed e s i g n e db yp r o g r a m m i n g t h e nf i l t e r i n s e r t i o nl o s s ( i l ) s i m u l a t i o nm o d e l1 s e s ta ：b l i s h e d ，s i m u l a t i o np r o g r a mi sc o m p i l e da n dd e s i g nr e s u l t s a r ea n a l y z e d f i n a l l y , c o r r e c t i o no fd e s i g nm e t h o di sv e r i f i e db yp r a c t i c et e s t a tt h es a m e t i m e ，o nt h eb a s i so f d e s i g no fe m i s o u r c ef i l t e r , c o n t i n u a t i o nf u n c t i o nc i r c u i to ff i l t e ri sd e s i g n e d i ti sm a i n a g a i n s ts u r g ev o l t a g eb y s w i t c hm o t i o n b yd i s c u s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s o f tm a g n e t i s mf e r r i t em a t e r i a lt h a ta p p l yt oe m i s o u r c ef i l t e r , s e l e c t i o np r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nm e t h o do ff e r r i t em a g n e t i cc o r e a r e p r o p o s e d t h e n ，t h ek e ya n dp a c k a g i n gt e c h n i q u eo fe m i s o u r c ef i l t e ri ne n g m e e n n g a r es t u d i e di nd e t a i l s a tl a s t ，t e s t i n gm e t h o di np a c k a g i n gp r o c e s s a n ds o m ev e r y i m p o r t a n tp r o b l e m si nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na r ea l s op r o p o s e d k e y w o r d s ：n e t w o r kt h e o r y ；e m is o u r c ef i l t e r ；i n s e r t i o nl o s s ；s w l t c hp o w e r c l a s s n o ： 请输入分类号，以分号分隔。 1 v 韭塞褒蕉鑫兰亟囊璺焦监塞 致谢 我的论文是在导师张小青教授的悉心指导下完成的。张老师丰甯的专业知识、 严谨耱治擎态度、实攀求是熬学术终菇帮兢兢蝗塑黪工 筝耪耱绘我錾下7 深裂耱 印象。在张老师的影响和熏陶下，我明白了许多为人处事的道理，激励着我在今 厝的工作、学习中不断的进取，斑好人生的缚一步。在此，谨向张老师表示衷心 鹃惑嚣。 在攻读硕士学位期间，得到北京理工大学区健昌教授指点疑惑，点明方向， 使我终生受益匪浅，在此深表感谢。 在乎辩瓣学习生滔中褥鬟弱实验室王浇辫、震春华、王芳、警鞠等弱学豹支 持，给我提供了许多帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 最后，我要深深的感谢我的家人对我一贯的理解和支持，他们的爱是我学习 z 捧孛豹苓游动力。 1 1 研究背景及意义 1 引言 高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点，已 经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。然而，随着开关电源类数 字电路的普及和发展，电气电子设备辐射和泄漏的电磁波严重干扰了其他电气电 子设备的正常工作，成为一种无形的污染。同时随着国际电磁兼容法规的日益严 格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备问的相互干 扰，营造良好的电磁工作环境，世界各国都制定了各自的电磁兼容标准，以利于 设备相互问的工作协调，如国际电工委员会的i e c 6 1 0 0 0 及c i s p r 系列标准、欧共 体的e n 系列标准、美国联邦通信委员会的f c c 系列标准、北美标准等等。我国 现行的g b t 1 3 9 2 6 系列电磁兼容标准主要是参照c i s p r 修订的。因此，开关电源 电磁兼容问题的研究是十分必要的。 一般来说，电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , e m c ) 是指设备或系统在 其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的 能力【4 】。具体包括以下两方面的含义： ( 1 ) 电子设备或系统内部( 包括部件和子系统) 在自己所产生的电磁环境及在 它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。 ( 2 ) 设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平，电磁干扰不对周 围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。 电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e r t e e ，e m i ) 的构成有三个要素：干扰源、噪 声的耦合路径及被干扰设备【5 】因此，电磁兼容要解决的主要问题是：削弱干扰源 的能量，隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。 电磁干扰能量主要通过辐射性耦合和传导性耦合进行传输。屏蔽、滤波和接 地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空问的辐射发射途径，滤波用于 切断通过导线的传导发射途径，而接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电 磁兼容性。 众多实践经验表明，在电气电子新产品的设计阶段，电磁兼容性考虑得越早， 问题越简单，解决问题所需要的成本也越低，否则越是到后面阶段，可以用来抑 制噪声、防止受干扰的手段越少，为此所付出的代价也越高。图1 1 形象的说明了 这一关系。因此，为了保证开关电源的电磁兼容性，在新产品的设计阶段就应当 e 丞銮遁厶堂亟堂位迨塞 首先进行电磁兼容的测试和评估。 开发时同 图1 - 1 电磁兼容设计成本和技术手段在研发各阶段的关系 f i g u r e1 - 1r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o s to f e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g na n d t e c h n o l o g yd u r i n gr e s e a r c hp r o c e s s 近年来，在电力电子技术大力发展的同时，人们在开关电源的电磁兼容性研 究过程中普遍遇到的一个技术难题就是传导干扰问题。传导干扰主要包括设备信 号线传导干扰、接地线共地阻抗干扰以及电源线传导干扰，其中电源线上的传导 干扰危害最大，抑制环节也最为薄弱。i b m 公司的一项研究表明，一台普通计算 机装置每月都会遭受1 2 0 多次电源干扰，它包括停电、电压不稳、尖峰信号、浪 涌和线路噪声等。在严重威胁设备安全可靠工作的起因中，8 8 5 是来自电源中的 脉冲干扰和振荡瞬变，它们是电源干扰的主要成分【3 】。因此，一般在电源输入端口 都要安装e m i 电源滤波器，主要有两个目的，其一是抑制经电源线进入敏感设备 或系统的电磁干扰；其二是抑制设备或系统自身的传导发射。通常，e m i 电源滤 波器受电源模块体积所限，无法选取更复杂的拓扑结构和更大的元器件参数，因 此e m i 电源滤波器设计需要尽早考虑。 1 2 国内外研究现状 在电磁兼容性设计方面欧美等国家起步较早，发展很快。早在上世纪4 0 年代 就已经提出了电磁兼容概念，6 0 年代，出现了电磁兼容的计算机辅助分析，8 0 年 代以后，电磁兼容的分析预测性设计逐渐发展并且得到应用，研制了大量不同规 模的电磁兼容分析预测软件，同时建立了相应的电磁兼容标准和规范，形成了一 整套完整的电磁兼容体系。 我国由于过去经济基础比较薄弱，电磁兼容的矛盾不突出，所以起步较晚、 水平较低，大多停留在被动的或半主动的解决电磁干扰问题阶段。在7 0 年代，国 内一些单位特别是军品单位在实际工作中遇到了电磁兼容问题，开始引起重视。 2 瞒本与技术 8 0 年代成立了全国无线电干扰标准化技术委员会，研究和制定了一些电磁兼容标 准。随着电磁兼容热的迅速升温，国内的一些科研单位、大学也逐渐建立了电磁 兼容实验室，进行电磁兼容的检测和认证及电磁环境的测试和评估工作。我国在 电磁兼容分析预测方面也作了不少努力，一些系统内、系统问的小规模针对性的 电磁兼容分析预测软件已研制出来，如航天部开发的b h e m c a p 软件。目前电磁 兼容在军用产品中应用相当广泛，在民用产品中也越来越受到重视。在此期间， 滤波技术作为电磁兼容控制的关键技术，也得到了迅速的发展。 e m i 滤波器作为滤波技术的载体之一，在国内外研究人员的努力下，其设计 理论不断发展。s h i f i n a nl c 在1 9 6 5 年提出一种图表方法，通过事先绘制成的滤波 器插入损耗分析列线图设计单级l 型或n 型e m i 滤波器【”。1 9 9 4 年，l a s z i o t i h a n y i 在其专著中发展了这一方法，考虑滤波器件高频特性对列线表的影响，并且这一 方法不再局限于单级滤波器( 7 1 。r i c h a r dl e eo z e n b a u g h 提出了另一种方法，根据设 计阻抗和插入损耗要求选取滤波网络，估算元件参数，然后不断的校核分析滤波 器插入损耗，修正元件参别“。这些设计方法分析过程繁杂，校核运算量都很大。 在上述理论设计方法的指导下，近年来又出现了一些新的设计方法。 文献【2 】提供了一种滤波元件数值的计算方法，它以输入阻抗、输出阻抗、电 磁兼容标准、正常工作时流过滤波器的电流等作为初始条件，引入滤波器设计阻 抗和截止频率的概念，根据截止频率、电磁兼容标准及选取的滤波器电路形式计 算得出滤波元件值。这种设计方法简单快捷，但是没有考虑到元器件的高频特性 及共模电感磁芯的性质，实际制作通常达不到预期的目标。文献 2 2 1 提出一种连续 正交阵列( c o n s e c u t i v eo r t h o g o n a la r r a y ) 方法，无需分离共模和差模噪声信号，直 接设计整个e m i 滤波器。而且能够保证较高的功率因数( p o w e rf a c t o r ) 。但是如果 滤波器的拓扑结构复杂一些，其运算量相当大。文献【2 3 】采用平面电磁综合技术 ( p l a n a re l e c t r o m a g n e t i ci n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ) ，通过减小等效串联电感和等效并联 电容，提高滤波器高频特性，最后利用m a x w e l l 二维有限元( f e a ) 软件验证滤波器 结构。 本文综合前人对e m i 电源滤波器的研究方法，应用网络理论建立滤波器设计 及分析仿真模型，考虑器件高频分布参数、器件的不同选择及外部环境对滤波器 性能的影响，编制了滤波器电感设计软件和插入损耗仿真分析软件，从而极大简 化了滤波电感元件和滤波器的设计过程。 1 3 本文主要工作 根据e m i 电源滤波器的研究需要，本文主要做了一下几方面的工作： e 塞銮道盔堂亟堂位论塞 ( 1 ) 概述电磁兼容的定义、电磁兼容设计的主要任务和目前国内外电磁兼容 设计的研究情况。陈述国内外e m i 电源滤波器发展历史和现状以及一些主流设计 方法的优缺点。 ( 2 ) 讨论e m i 电源滤波器的特点及开关电源e m i 信号类型，并给出滤波器电 路结构选取原则。应用网络理论分析e m i 电源滤波器，讨论相关网络参数与滤波 器插入损耗的关系。 ( 3 ) 分析滤波电感、滤波电容的高频电路模型及高频特性。 ( 4 ) 根据e m i 电源滤波器的设计规范，选定滤波电路结构，建立滤波器的共 模及差模等效电路模型。 ( 5 ) 分析开关电源产生的干扰，确定插入损耗指标，编制电感设计软件和滤波 器分析软件。 ( 6 ) 进行滤波电感的设计计算，确定最终电路结构，在分析滤波器高频等效电 路的基础上，对e m i 电源滤波器共模及差模插入损耗进行理想和高频状态仿真分 析，讨论不同元件参数选择、分布参数模型和测量、使用系统对滤波器频率特性 的影响。 ( 7 ) 通过实际测试，验证e m i 电源滤波器的性能，对仿真分析结果与实际测 试结果进行对比分析，验证等效电路模型和滤波器设计方法的合理性。 ( 8 ) 对e m i 电源滤波器进行拓展功能设计，抑制由开关动作所引起的浪涌电 压。 ( 9 ) 分析铁氧体磁性材料的主要性质，讨论软磁铁氧体在e m i 电源滤波器中的 应用。同时讨论滤波电感及电容的器件设计技术。 ( 1 0 ) 讨论e m i 电源滤波器工程应用问题，论述其制作封装，安全检测、安装 形式及安装注意事项等几方面问题。 4 e 峦銮适厶堂亟学焦途室2 里m ! 生涯选这鲞的遮让厦墅! ! | 巫垣翅搓盆拯 2e m i 电源滤波器的设计原则及插入损耗分析 2 1e m i 电源滤波器 在电磁兼容设计中，即使是经过很好的设计并具有正确的屏蔽和接地措施的 设备，也不能提供完整的电磁干扰防护，仍然会有传导骚扰或传导骚扰发射进出 设备，这是因为设备或系统上的电缆是最有效的骚扰接收与发射天线。解决这个 问题最有效的方法是在电缆的端口处使用e m i 滤波器。 e m i 滤波器的作用是抑制干扰信号通过，因此它与一般的通信及信号处理中 所讨论的信号滤波器相比，具有下列不同特点： ( 1 ) e m i 滤波器在对电磁干扰抑制的同时，能在大电流和电压下长期工作， 对有用信号消耗小，保证最大的传输效率。 ( 2 ) e m i 滤波器中用的电感、电容元件，必须具有足够大的无功功率容量， 同时对元件寄生参数的控制也比较苛刻。 ( 3 ) 信号处理中用的滤波器，通常总是按阻抗完全匹配状态设计的，所以可 以保证得到预想的滤波特性。但是，在电磁兼容设计中，很难做到这点，有时滤 波器不得不在失配状态下运行，因此必须认真考虑其失配特性，以保证e m i 滤波 器在工作频率范围内有比较高的衰减性能。 ( 4 ) e m i 滤波器虽然是抗电磁干扰的重要元件，但是使用时必须仔细了解其 特性，并正确使用。否则，不但会失去滤波功能，有时还会导致新的噪声。 ( 5 ) e m i 滤波器应该有足够的机械强度、安装方便、工作可靠、重量轻、尺 寸小及结构简单等优点 e m i 电源滤波器，又称为电网滤波器、进线滤波器，它是e m i 滤波器中的一 种，允许直流或工频( 5 0 h z 、4 0 0 h z ) 信号通过，对频率较高的其它信号和干扰信 号有较大的衰减作用。通用的e m i 电源滤波器可以定义为一个低通网络，它由电 感、电容或电阻等无源器件组成。一般可根据其电路形式分为单电阻、单电感、 单电容、r c 型、l 型、t 型、型等基本电路形式，如图2 - 1 所示，它们是组成 e m i 电源滤波器的基础哺j 。 e m i 电源滤波器的主要性能指标一般包括额定电压、额定电流、插入损耗、 漏电流、阻抗匹配，频率特性、物理尺寸及重量、使用环境和滤波器本身的可靠 性等。但是在使用时考虑最多的是额定电压及电流值、插入损耗和漏电流。 额定电压和额定电流主要是出于安全和性能考虑的。 额定电压是输入滤波器的最高允许电压值，主要是保证滤波器在该工作电压 ? 1 丁丁丁 图2 - 1 基本的e m i 电源滤波器 f i g u r e2 - 1b a s i ce m is o u r c cf i l t e r 下，其内部的电容器、电感线圈以及它们和金属外壳之间的绝缘，在最大峰值电 压下，包括浪涌等有害瞬变过程都不出现绝缘破皮现象。滤波器的额定电压一般 取最大峰值电压的两倍。 额定电流是指在额定电压和规定环境温度条件下。滤波器所允许的最大连续 工作电流。额定电流均为工作环境是4 0 摄氏度时的额定电流值，在其他环境温度 下滤波器的最大工作电流可按下式计算： ，。一 i = ( 8 5 一t a ) 4 5 ( 2 - 1 ) 其中， 是4 0 摄氏度的额定电流，a 是工作环境温度【1 8 】。一般环境温度越高允 许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率有关，工作频率越高，允许电流越 小。当滤波器的工作电流超过额定电流时，会造成滤波器过热，使得低频滤波性 能下降。因此，在确定滤波器的额定工作电流时要以设备的最大工作电流为准， 一般取滤波器的额定电流是实际最大工作电流值的1 5 倍左右。 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ，i l ) 是从抑制干扰的角度出发，是滤波器最重要的 技术参数。具体的内容将在后面的章节中介绍。 漏电流是指在额定电压下，滤波器相线和中线与地之间流过的电流。一般出 于安全的考虑对漏电流都有严格的规定。 6 一 ；_ 丁_ j b 壅銮适叁堂亟堂位论塞2 基m ! 电渥洼这矍的遘让厦刈厘堑厶掘搓盆圭匠 2 2 开关电源e m i 信号类型及特点 e m i 电源滤波器主要是针对电源线上的干扰信号类型来进行抑制的。电源线 上的干扰信号包含了很多可变的因素，给分析带来了一定的难度。但是通常这些 电源干扰是以共模( c o m m o nm o d e ，c m ) 和差模( d i f f e r e n t i a lm o d e ，d m ) 方式存 在，因此干扰信号按传导路径的不同可分为共模干扰信号和差模干扰信号。 共模干扰是指电源线对大地或中线对大地之间的电位差，对于三相电路来说， 共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模电流是在相线( 或中线) 和地线之间 流动的、相位相同的电流，共模电流一般利用外部接地系统，电缆、金属制品等 做为电流的返回路径。共模干扰如图2 - 2 所示。 i c m 图2 - 3 差模干扰 f i g u r e2 - 3d mi n t e r f e r e n c e 通常情况下，共模电流和电压振幅非常小，但是由于在电路中它们的回路面 积很大，因此由共模干扰所引起的电磁兼容问题比等价的差模干扰更严重。在大 7 塞至垣厶堂亟堂位途塞 多数场合e m i 电源滤波器主要抑制共模干扰信号。 开关电源与交流电网连接的框图如图2 - 4 所示。尽管开关电源的噪声源是一个 单端1 ：2 网络，但具有相线( l ) 、中线( n ) 和地线( e ) 的开关电源实际上形成了 两个a c 端口，所以在实际分析时可将噪声源分解为共模和差模噪声源。由于共模 和差模这两种模式的传导噪声来源不同，传导途径也不同，因而开关电源的共模 滤波器和差模滤波器应当分别设计。 ， q 嗡 人工 一b 开关 电源 电源 网络 二一。亡占 圈2 - 4 开关电源对交流电网形成的共、差模噪声源 f i g u r e2 - 4t h ec ma n dd mn o i s es o u r c eo f s w i t c hp o w e rt oa cn e t w o r k 丌关电源在工作时，开关的切换频率通常从数千赫兹到上百千赫兹，而陡峭 的上升及下降电压与电流波形，内含相当多的高频成分，所以开关电源本身就是 一个干扰发射源。但是与高速数字电路相比，由于它的开关功率大，开关频率不 太高，所以开关电源呈现出不同于高速数字电路的电磁干扰特性。它们主要表现 蔓b t 3 4 j e 3 5 】： ( 1 ) 作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很 高。 ( 2 ) 干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的散热器和高频变压器， 干扰源的位置较为清楚。 ( 3 ) 开关频率不高，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。 ( 4 ) 开关电源印刷电路板的走线通常采用手工布局，具有更大的随意性，增 加t p c b 分布参数的提取和近场干扰预估的难度。 2 3 电路结构选取原则 e m i 电源滤波器通常希望其工作在规范的输入阻抗和输出阻抗中，一般源阻 抗和负载阻抗都等于5 0q 。当源阻抗和负载阻抗与滤波器规范规定的阻抗不同时， 输出响应就会发生变化，滤波器将不能达到预期的工作性能。但是在实际应用中， e m i 电源滤波器两端阻抗通常都是处于失配状态。 设电源的输出阻抗和与其连接的滤波器的输入阻抗分别为z o 和z l ，根据信号 传输理论，当z o z i ，在滤波器的输入端口会发生反射，发射系数为 p = 【z o z i ) ( z 0 + z 1 ) ( 2 - 2 ) 显然，z 0 和z l 相差越大，p 便越大，端口产生的发射越大。当阻抗处于失配 状态时，e m i 信号会在它的输入和输出端口产生反射。失配越大，反射越大。所 以，滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态，使e m i 信号产生发射。 同理，滤波器输出端口也应与负载处于失配状态，使e m i 信号产生发射【i 叭。 对于e m i 信号，电感是高阻抗的，电容是低阻抗的，所以在进行e m i 电源滤 波器电路结构的设计时应遵循下列原则：如果源内阻和负载是阻性或感性的，与 之端接的滤波器接口就应该是容性的。如果源内阻和负载是容性的，与之端接的 滤波器接口就应该是感性的。具体的组合方式见表2 一l 所示。 表2 - 1e m i 电源滤波器的端接方式 t a b l e2 1p o r tc o n n e c t i o nm o d eo f e m i $ o l l r c ef i l t e r 源阻抗n负载阻抗g滤波器形式 低低 ”w l m 飞g t一 低高 “叮6 一t 一 高低 ”1 7 g t 一 一 ”1 r g 局高 tt 2 4e m i 电源滤波器插入损耗的计算方法 e m i 电源滤波器对干扰信号的抑制能力用插入损耗来衡量，插入损耗是滤波 9 e 塞銮适太堂亟堂位逾塞 器最重要的技术参数之一。本节主要利用网络理论分析滤波器的网络结构，从而 得出插入损耗的基本计算公式，其中最关键的是推导出滤波器二端口网络的a 参 数。 2 4 1 二端口网络【2 0 】 图2 - 5 所示为一个二端口网络，其中1 1 端口为输入端口，2 - 2 端口为输出端 _ i 卜 土 l u 2 丫 2 图2 - 5 二端口网络 f i g u r e2 - 5t w o - p o r tn e t w o r k 图2 - 5 二端口网络的传输方程为： 黔= 0 ：2 芝艺锹 陋s ， - + 口2 ：( - ，2 ) 。 引入矩阵的概念，则公式( 2 3 ) 可以表示为： ( 槲城a 2 2 j 。- - 2 , = a ( 羔 c z 川 式( 2 4 ) 中的a 称为a 参数矩阵。a 参数矩阵各元素的计算是推导滤波器插入 损耗的关键。 迸芷= 瓣 图2 - 6 n 个二端口网络级联 f i g u r e2 - 6s e r i e sc a s c a d eo f nt w o - p o r tn e t w o r k s 1 0 n + l n + l 韭立銮适厶堂亟堂位i 金塞 2 巨丛l 出邀选泫墨的递让愿则丛垣厶塑搓岔抚 对于n 个二端口网络的级联，如图2 - 6 可得： ( m i i 芝) 仁s ， 由此，在对滤波器进行网络分析时，可以将复杂的二端口网络分解为多个典 型滤波电路二端1 3 网络的级联，分别计算出各个二端1 2 网络的a 参数矩阵并连乘 a 参数矩阵，即可获得复杂滤波器网络的a 参数矩阵，进而实现对滤波器插入损 耗的分析。 典型的滤波电路如图2 - 1 所示，它们中常用的a 参数矩阵列于表2 - 2 中。 表2 - 2 典型滤波电路的a 参数矩阵 t a b l e2 - 2ap a r a m e t e rm a t r i xo f t y p i c a lf i l t e rc i r c u i t 典型滤波电路a 参数矩阵 j 1 与 y 、_ ( ：警) _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 。_ f r - - ( 二co ) 下 f l - c a 2 l c 彬1 ij c o c 1 j r f l 一2 z , c ，( 厶+ z 2 ) - y c 0 3 厶厶c 1 lj c o c1 - 0 2 厶cj 孙 f1 - 国2 三g j c o l 1 l ，国( c ：+ c ：) 一3 l c , c 21 - 2 l c , j 2 4 2e m i 电源滤波器插入损耗 插入损耗是e m i 电源滤波器的重要参数，它是频率的函数。通常把插入损耗 随频率变化的曲线称为滤波器的频率特性。滤波器的插入损耗越大，滤波效果越 好。e m i 电源滤波器插入损耗的定义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负 载的功率p l 和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率p 2 之比，用d b ( 分贝) t 立銮遭厶堂亟堂垃途塞 表示。滤波器接入前、后的电路如图2 - 7 ( a ) ，( b ) 所裂3 1 。 v s 由于 所以 由图2 - 7 ( a ) 可得 图2 7 插入损耗方框图 f i g u r e2 - 7b l o c kd i a g r a mo f i n s e r t i o nl o s s ，上= 1 0 1 9 ( p 。p 2 1 r = y j | r j p 2 = y ；| r i ，l = l o l g ( v t 2 v 2 2 ) = 2 0 1 9 ( v i y 2 ) k ：l 墨 b + r 根据图2 7 ( b ) 的网络传输方程，同时有 i 巧= q 。匕+ q 2 厶 【= a 2 1 + l 巧= 珞一厶b = ，2 r 式( 2 1 1 ) ，( 2 - 1 2 ) ，( 2 - 1 3 ) 联立可解出v 2 为 k ：三一 。 q i + 口1 2 咒+ a 2 l 忍+ 啦2 尼吃 将式( 2 1 0 ) ，( 2 - 1 4 ) 代入式( 2 9 ) 即可得出插入损耗的计算公式： i l = 2 0 1 9 1 2 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 一t 5 ) 在进行滤波器的设计时，式( 2 - 1 5 ) 用于计算滤波电感数值和仿真检验滤波器的 性能。同时，我们要注意e m i 电源滤波器插入损耗和通常所说的转移电压衰减的 定义是不同的，所以书本上已有的滤波器电压衰减图表和数据不能直接应用于插 入损耗。 2 5 电感、电容的高频特性 电感和电容是构成e m i 电源滤波器的主要元件，它们的高频分布参数直接影 响到滤波器的性能。在低频状态下，电感和电容一般被当作理想器件即纯电感和 纯电容。但是在高频状态下，它们的特性将远远偏离理想状态时的特性。 实际电感器 e m i 电源滤波器中的电感器通常都是绕制成线圈形式，磁芯为铁氧体软磁磁 芯。与一般的电感器一样，在一个很宽的频率范围内，滤波电感具有线圈的直流 电阻r 和分布电容c o ，分布电容存在于电感绕组匝与匝的导线之问及多层绕组的 层与层之间。分布电容是影响电感频率特性的主要指标。实际电感的等效电路如 图2 8 所利1 0 1 。 c d 图2 - 8 实际电感的等效电路 f i g u r e2 - 8e q u i v a l e n tc i r c u i to f p r a c t i c ei n d u c t a n c e 根据这一等效电路，电感的阻抗为： 乙= 而虿r + 丽j m l 万 ( 2 - 1 6 ) 在直流段即= o 时，z l 等于月；当在低频段即0 3 o 时，电感的阻抗呈现电容阻抗的特性，阻抗随频率升高而降低。频率o 是电 感器的谐振频率： = q 厄 根据式( 2 1 6 ) ，实际电感的频率特性如图2 - 9 所示。 ( 2 1 7 ) e 筮銮塑厶堂亟堂位丝塞 图2 - 9 实际电感的频率特性 f i g u r e2 - 9f r e q u e n c yc h a r a c t e ro f p r a c t i c ei n d u c t a n c e 因此，为了改善电感的高频特性，可通过以下两个途径实现：一是在体积不 变的情况下，获取最大的电感值：二是将线圈的分布电容g 减小到最小。 实际电容器 实际的电容器和电感类似，它也不是一个纯粹的电容。实际的电容器由绝缘 漏电阻岛、等效串联电阻r s 、等效串联电感l p 和电容构成。绝缘漏电阻r p 是介质材 料本身的电阻，等效串联电阻r s 是电容器引线等的等效电阻，而等效串联电感分 量是由电容引线和结构所决定的。高频状态下，电感分量是影响电容频率特性的 主要指标。实际电容器的等效电路如图2 1 0 所示【1 0 1 。 图2 - 1 0 实际电容的等效电路 f i g u r e2 - 1 0e q u i v a l e n tc i r c u i to f p r a c t i c ec a p a c i t a n c e 电容的阻抗为： 乙= 磁+ 呜+ 瓣g p ( 2 1 8 ) 根据式( 2 1 8 ) ，实际电容的频率特性如图2 - 1 1 所示。 1 4 i 纠 毋+ 心焉 图2 - 1 1 实际电容的频率特性 f i g u r e 2 - 1 1f r e q u e n c y c h a r a c t e r o f p r a c t i c e c a p a c i t a n c e 在频率非常低时，电容器表现出电阻特性，其数值主要取决于绝缘漏电阻r 。 当频率逐渐升高时，式( 2 - 1 8 ) 可近似等效为： z c 娟s + j 砒p + 去( 2 q 9 ) 在e m i 电源滤波器的设计中，主要考虑的是电容在较高频率时的实际特性， 因此在进行滤波器的高频等效电路分析中，可以采用图2 1 2 所示的实际电容的简 化等效电路。 叫卢* 芒j 川 图2 1 2 实际电容的简化等效电路 f i g u r e2 - 1 2s i m p l i f i e de q u i v a l e n tc i r c u i to f p r a c t i c ec a p a c i t a n c e 当在低频段即o y o 频 率超过谐振点时，电容的阻抗呈现电感阻抗的特性，阻抗随频率升高而增加。频 率c o o 是电容器的谐振频率： 文| 露。 ( 2 - 2 0 ) 实际电容器的高频特性主要取决于等效串联电感西。等效串联电感p 实际上包 含两个部分即内部结构及引线电感厶和外部引线电感k 。厶取决于电容器的结构 和尺寸，一般取5 5 0 n h 。k 取决于电容器外部引线的长短，是影响电容高频特性 和谐振频率的主要因素。因此，在使用电容器时应设法将外部引线长度控制到最 e 巫窑迢厶堂亟堂位迨塞 小，以达到提高噪声抑制的目的。 综上所述，在高频条件下进行滤波器插入损耗分析时，必须按照电感和电容 的高频等效电路进行考虑。在计算高频插入损耗时，需要将理想状态下电感和电 容的阻抗用高频时的阻抗代替，求出相应的a 参数矩阵。 2 6 本章小结 本章讨论了e m i 电源滤波器的基本电路结构、性能指标及设计原则，分析了 开关电源干扰产生的原因、特点和干扰信号的类型。同时在应用网络理论分析滤 波器特性参数插入损耗的基础上，结合滤波器件的实际特性讨论了在高频情 况下如何分析滤波器的高频插入损耗。 3e m i 电源滤波器的设计实例 t 本章主要通过一个实例来说明e m i 电源滤波器的设计方法。一个航空电源模 块中的d c d c 开关电源，其输入电压是1 0 0 v ，电压的正常工作范围是8 0 v 1 2 0 v ， 工作频率是2 0 0 k h z ，功率是1 0 w ，工作效率是6 0 。经检测，此开关电源传导干 扰和辐射干扰超标，需要设计一个e m i 电源滤波器对其干扰进行抑制。根据前一 章关于滤波器额定电压和额定电流的描述，此滤波器的额定电压为2 4 0 v ，额定电 流为0 5 a 。 通常e m i 电源滤波器都被认为是一个低通滤波器，但严格来说，由于滤波器 件高频分布参数的影响，在频率很高时，滤波器对高频干扰信号将不再起作用， 实际上变成了一个带阻滤波器。因此，此处设计的e m i 电源滤波器的抑制对象主 要是针对传导干扰信号。至于上述开关电源存在的辐射干扰则需要通过屏蔽或其 他方法解决。 e m i 电源滤波器应用网络理论的计算机辅助设计方法的流程图如图3 1 所示， 主要设计步骤为： ( 1 ) 分析要解决的问题，提出详细的技术指标。 ( 2 ) 根据具体要求和设计经验给出认为可行的电路形式。 ( 3 ) 分析共模和差模等效电路，分别求出各等效电路的a 参数矩阵。 ( 4 ) 根据电磁兼容测试结果和标准综合分析开关电源的干扰信号特点。 ( 5 ) 确定滤波器部分元件参数，计算共模和差模电感。 ( 6 ) 使用m a t l a b 软件对滤波器的频率特性进行仿真，如果符合插入损耗要 求设计结束。如果不符合要求，根据不符合的指标改变元件参数或电路形式，重 新设计。 ( 7 ) 根据共模和差模滤波器参数，组成实际的e m i 电源滤波器。 ( 8 ) 实际测试是否满足e m i 标准，如不满足，微调电路相关参数。 ( 9 ) 实物是否满足体积等要求，如不满足，改变元件相关布局。 1 7 e 塞銮道盔翌亟堂位迨塞 图3 - 1e m i 电源滤波器设计流程图 f i g u r e3 - 1af l o wc h a r to f e m i s o u r c ef i l t e rd e s i g n 3 1 规范 世界各国或地区有关传导型e m i 的测量技术以及各类型产品的主要规范对照 标准大致如表3 - 1 所示f l l 】。本文将以航空领域电源模块中使用的d c d c 开关电源 为背景，以一直流e m i 电源滤波器为设计实例，并以国家军用标准g j b l 5 1 a 1 5 2 b 中有关军用设备及分系统电磁发射和敏感度测量的规范作为滤波器的设计标准。 表3 - 1 各国或地区关于传导型e m i 主要规范 t a b l e3 1m a i ns t a n d a r d so f c o n d u c te m ii ns o m ec o u n t r i e so ra r e a 8 中国美国欧洲国际 g b ，r 6 1 1 3 1 1 9 9 5 测量技术 a n s i c 6 3e n 5 0 0 8 lc i s p r l 6 g b 厂1 6 1 1 3 2 1 9 9 8 工业、科学 g b 4 8 2 4 1 9 9 6f c c p a r t l 8 e n 5 5 0 1 1 c i s p r l l 医疗设备 信息技术 g b 9 2 5 4 - 1 9 9 8f c c p a r t l 5 e n 5 5 0 2 2 c i s p r 2 2 相关设备 广播接收 相关产品 g b l 3 8 3 7 1 9 9 7f c cp a r t l 5e n 5 5 0 1 3 c i s p r l 3 家电产品 g b 4 3 4 3 1 9 9 5 f c c p a r t l 5 e n 5 5 0 1 4 c i s p r l 4 灯具产品g b l 7 7 4 3 9 9f c c p a r t l 5 e n 5 5 0 1 5c i s p r l 5 本文中开关电源需满足的详细规范如表3 2 所示【1 4 】。 表3 -