（电机与电器专业论文）开关电源的emi滤波器设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nc a u s e db yt h ev e h i c l e i n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，m a n yc o u n t r i e sa r es e e k i n gt oan e wt e c h n o l o g y t h eh i g h p o w e rd c d cc o n v e r t e rw h i c hc a ni m p r o v et h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ff u e lc e l li s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si np o w e rt r a i ns y s t e mo ff c e v s h o w e v e r , t h em a i nc i r c u i ti sav e r yh e a v ye l e c t r o m a g n e t i cn o i s es o u r c ea sab u c kc o n v e r t e r i t e m i t sc o n d u c t e di n t e r f e r e n c eg o i n gt h r o u g ht h ep o w e rs u p p l yl i n ei n t ot h ec o n t r o l c i r c u i t a tt h es a m et i m e ，t h en o i s eg e n e r a t e db yt h es w i t c h e dm o d ep o w e rs u p p l yi n t h ec o n t r o ls y s t e mt r a n s m i t so u t w a r d st o o s oi ti si m p e r a t i v et os u p p r e s st h e c o n d u c t e dn o i s ew i t ha ne m if i l t e ri nt h ei n p u tp o r to ft h ec o n t r o ls y s t e m a tf i r s t ，t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ed c d cc o n v e r t e ri sd i s c u s s e da n dt h ec a u s e o fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h er e l e v a n tt h e o r yo fe m if i l t e rs u c ha s “i m p e d a n c em i s m a t c h ”p r i n c i p l e ， l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k ，f i l t e rn e t w o r k ，i n s e r t i o n1 0 s sh a sb e e n t h o r o u g h l ya n a l y z e d t h es e l e c t i o nr u l eo fc o m p o n e n t si sp r e s e n t e dw h i l eo n eo ft h e c r i t i c a li s s u e s - - h i g hf e q u e n c yp e r f o r m a n c eh a sb e e nf o c u s e do n t h ei m p a c to ft h e p a r a s i t i cp a r a m e t e r si so b s e r v e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n ds o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e h a sb e e np u tf o r w a r d t h e nt w od e s i g nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ，o n eo fw h i c hi s i n v o l v e dw i t ha n o t h e rc r i t i c a li s s u e - - n o i s es o u r c ei m p e d a n c e t h e nt h ei n s t a b i l i t y p r o b l e mw h i c hm a yb ec a u s e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h ee m if i l t e ra n dt h e c o n v e r t e ri sd i s c u s s e d a st h ee m if i l t e ri sa p p l i e dt oe n g i n e e r i n gf i e l d ，t h e ni t s n e c e s s a r yt oi n t r o d u c es o m e n o t i c e so fa p p l i c a t i o n a tl a s t ，c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a li n t e r f e r e n c es i t u a t i o no ft h ec o n t r o lc i r c u i t , t h e e m if i l t e rw h i c hh a sb e e na p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n d v e r i f i e d ，b a s i c a l l yk e e p i n gt h en o i s ed o w nt ot h e3 - c l a s sl i m i to fc i s p r2 5 k e yw o r d s ：d c d cc o n v e r t e r ，e m if i l t e r ，i n s e r t i o nl o s s ，h i g hf r e q u e n c y p e r f o r m a n c e ，n o i s es o u r c ei m p e d a n c e i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位敝作者繇寻爹炙 叩7 月c 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 骼荚 妒c 年7 月c 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车的出现给世界带来了巨大的转变，它促进了经济的发展，改善了人们 的生活。但内燃机汽车带来的污染及石油的r 益枯竭促使人们寻求新的解决方 法。燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e s ，f c e v s ) 就是其中一个发展方 向。它以其高性能、低污染、清洁等优点成为世界各国的研究热点。近年来一 些汽车制造公司，如戴姆勒一克莱斯勒、本田、丰田、通用、福特等都开发了自 己的燃料电池电动轿车。我国政府也十分重视燃料电池轿车的关键技术的研究， “九五”期间，国家科技部将燃料电池关键技术列入国家攻关计划。“十五”期 间，燃料电池轿车及其关键技术的研究和样车的研制开发，被列入国家“8 6 3 ” 电动汽车重大专项。由大连物理化学研究所和上海神力科技有限公司为轿车研 制的大功率燃料电池系统已在燃料电池轿车上进行集成，并由上海燃料电池汽 车动力系统有限公司与同济大学研制出“超越一号”、“超越二号”和“超越三 号 燃料电池轿车。 1 2 开关电源e 滤波器的基本概况 近年来，随着大功率电力电子器件的发展，电力电子装置在国民经济和国 防建设的诸多领域应用越来越广泛。而开关电源随着电力电子技术的发展和成 熟，在过去的几十年里，凭其体积小、重量轻、效率高等优点已经广泛应用于 通信、计算机、控制装置以及它们的相关设备中。但其在具体应用过程中由于 高频通断等固有特点，不可避免地产生各种噪声，且随着功率的增大而明显增 强，形成一个很强的电磁干扰源。噪声通过辐射和传导等途径污染周围电磁环 境，影响其他电子设备的正常运行，使设备间电磁兼容( e m c ) 问题同益突出。 为此，世界各国都对电气产品提出了严格的e m c 标准规定，国际电磁兼容法 规定的电源产品的e m c 指标已成为一个极为重要的性能参数，直接关系到该 产品能否推向市场。 第1 章绪论 干扰主要包括辐射干扰和传导干扰，本文研究的重点是传导干扰。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， 其中电源线传导干扰的抑制非角堂安而又最为薄弱。根据噪声的传播路径，抑 制电磁干扰的途径可以有：削弱干扰源的能量，切断噪声耦合路径，提高设备 对电磁干扰的抵抗能力。目前抑制干扰的措施大多是设法切断电磁干扰和受扰 设备之间的耦合通道，e m i 滤波器就是其中一种行之有效的方法。 用于开关电源的无源滤波器与常规滤波器相比，具有以下特点：1 能在规 定电流和电压下稳定工作，对有用信号消耗小；2 在整个干扰频率范围内( 几 十k h z 到几十千m h z ) 对电磁干扰具有较高的衰减性能；3 不出现饱和效应。 多年来，在国内外研究人员的努力下，e m i 滤波器的设计理论不断发展。 s h i f m a nj c 1 1 l 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损分 析列线图设计单级型或兀型e m i 滤波器；1 9 9 4 年，l a s z i ot i h a n y i1 2 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图的影响，并不再局限于 单级滤波器。r i c h a r dl e eo z e n b a u g h t m 提出了另一种方法，根据设计阻抗和插损 要求选取滤波网络，估算元件参数，然后不断校核分析滤波器插入损耗，修正 元件参数，这种方法更切合工程实际。 国内外也有不少生产e m i 滤波器的厂家，比较著名的有瑞士s c h a f f n e l 、德 国e p c o s 和美国c o r c o m 等。 1 3 本课题研究的背景及意义 本课题的研究内容是“开关电源的e m i 滤波器设计”，是科研项目“燃料 电池轿车用d c d c 变换器”的一个重要部分。该项目属于国家科技部8 6 3 计划 重大专项课题，对我国发展汽车工业、解决能源危机、改善环境等方面有着重 要意义。 燃料电池电动汽车用d c d c 变换器作为一种开关电源，其主电路是很强的 电磁干扰源，产生的干扰可能通过电源线进入到控制电路板，从而影响控制电 路的j 下常工作。而控制电路部分也要用小功率的开关电源进行稳压，因此也可 能产生开关噪声经电源线向外传输。所以必须采取措施来隔断控制电路与外界 环境之间的电磁传导干扰，使控制电路能正常工作，从而保证d c d c 变换器能 正常、稳定地工作。 2 第l 章绪论 本文以燃料电池电动汽车为大背景，着重讨论e m i 电源滤波器的设计理论， 研制d c d c 变换器控制电路部分的e m i 电源滤波器，将电源输入端的传导干 扰降低到相关的汽车电子电磁兼容标准以下。 1 4 本文内容提要 本文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) e m i 电源滤波器的基本理论 第二章简略分析了开关电源中e m i 信号产生的原因及其特点，重点研究了 e m i 电源滤波器的基本理论，包括设计原则、基本电路结构、基本元件特性及 插入损耗等概念和原理。 ( 2 ) e m i 电源滤波器的元件分析 第三章研究了e m i 滤波器中的电感、电容的选取和设计中的各种注意事项， 并结合仿真研究了元件自身的寄生参数对滤波器高频性能的影响，提出了改善 高频性能的部分方法。 ( 3 ) e m i 电源滤波器的设计方法 第四章讨论了e m i 滤波器的两种设计方法，分别是不考虑源阻抗和考虑源 阻抗时的设计方法。特别关注并分析了噪声源阻抗对于滤波器效果的影响、源 阻抗的测量和估算等问题，在此基础上系统地形成了基于源阻抗时的滤波器设 计方法。对于设计中牵涉到的滤波器的不稳定性问题也作了相应的分析和仿真。 ( 4 ) e m i 电源滤波器的工程应用 第五章讨论了e m i 滤波器在工程应用中的一些问题，包括电容器的j 下确使 用、铁氧体抑制元件的应用、差共模信号的转化、滤波器的安装注意事项等， 目的是使滤波器能够充分发挥滤波性能。 ( 5 ) e m i 电源滤波器的设计结果 第六章介绍了针对d c d c 变换器的控制电路设计的电源端的e m i 滤波器， 采取两种方法分别设计，比较并分析了试验结果。 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 第2 章e 电源滤波器基本原理分析 2 1d c d c 变换器的e 分析 根据f c e v 对d c d c 变换器的输入输出要求可知，燃料电池的输出电压 3 2 0 v 4 8 0 v 经过d c d c 变换器变换到3 1 2 v ，因此必须采用具有降压功能的 d c d c 变换器。电路拓扑如图2 1 所示。 v s 1 u + d i 1c 齐 i l 三 n d 图2 1 降压型d c d c 变换器 该电路有两种工作模式：电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ， c c m ) 和电感电流断续模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，d c m ) 。燃料电池轿 车用d c d c 变换器工作在电感电流连续模式。经过分析，可得到圪= kd i ，表 明，输出电压圪随占空比d l 而变化，由于d i l ，故圪 圪。因此连续状态下降 压变换器的电压增益为 m = 等= d l ( 2 1 ) 矿 1 燃料电池电动汽车在行驶过程中，经常会加速、减速或是刹车，在不同工 作状态下燃料电池输出的功率会有所不同。d c d c 变换器需要实时地改变占空 比来调整输出电压，以保证燃料电池轿车的稳定运行。控制电路就完成这样的 功能，其与主电路的关系如图2 2 所示。 4 v 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 输入 r 卜 l 鞠糍糍暖豳翰嘲嬲嘲自_ 鼹im i 翻翰掰嘲搦镕藕一 j ，j ”p 叶：。z ，。 二 一 ! l 图2 2 主电路和控制电路的关系 图2 3 主电路上电感的电流波形 通过传感器将主电路的温度和输入输出电压、电流信号采集之后，经过滤 波器滤除干扰信号，送入控制电路的a d 转化接口。采样数据经过控制电路的 计算处理后产生p w m 信号，并通过驱动电路的放大去控制开关管的开通和关 断，及时地调节占空比以达到闭环控制的目的。同时，控制电路通过c a n 通信 线与整车控制器进行周期性通信，达到整车对d c d c 变换器的实时监控、工作 参数修正和故障诊断。另外，为了调试方便，通过d s p 的串口通信直接与p c 机相连，实现d c d c 的实时监控、在线参数修正以及故障存储显示功能。 从电磁兼容的角度看，主电路是个很强的电磁干扰源。由它产生的电磁噪 声不仅可能干扰其它车载电子电路，还可能会影响到控制电路的j 下常工作。对 于控制电路，除了本身要能在恶劣的电磁环境下j 下常工作，也要抑制自身发射 的电磁噪声。 主电路中产生电磁干扰e m i 的元器件主要是开关管和电感。 开关管z 开通时，二极管d 尚未关断，于是在二极管关断时的反向浪涌电 流流过z ，使z 在开通时出现电流尖峰。由于电路中含有杂散电感l p ，浪涌电 流流过时产生干扰电压v - - h , d i d t ，加在开关管的漏极与源极之间。而z 在关断 瞬间，漏极和源极之间会出现幅值很高的电压尖峰，这是d c d c 变换器电路中 的主要电磁干扰源。 主电路电感上的电流波形如图2 3 所示。流过电感的电流是一个脉动电流， 其脉动频率与开关管的开关频率相同，而脉动幅值与电流大小和电感值有关。 该脉动电流除了含有一个直流分量之外，还含有频率为脉波数整数倍的谐波电 流。这些谐波电流流过电源内阻抗时产生高次谐波压降，对燃料电池和通讯等 5 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 会产生影响。另外，还可以看到，电感电流在z 丌通和关断的瞬间都会出现尖 峰，这是由于电路中存在分布电感和分布电容，使得开通和关断时，分布电感 和分布电容对电流中的高频分量发生了谐振。高频振荡电流将流过由z 、电感 l 和电源组成的回路，产生电磁辐射，或者通过分布电感耦合到其它电子线路 中去。若回路面积较大，向周围空问辐射的高频电磁波将严重干扰周围的敏感 设备。 除了由电压尖峰和电流尖峰造成的电磁噪声，主电路中流过的大电流还会 产生强磁场，也会在其它的电子设备中感应出电流，影响这些设备的正常工作。 控制电路属于弱电电路，其中的模拟电路和数字电路工作电压都比较低， 容易受到外界电磁噪声的影响，同时由于控制电路中有开关电源、晶振以及高 速的p c b 走线等，也会向外界传播电磁噪声。 虽然d c d c 主电路都是大功率元器件，不大容易被外界的电磁噪声所影 响，但如果控制电路受电磁噪声影响而不能正常工作，同样导致整个d c d c 变 换器不能j 下常工作，还有可能引起燃料电池轿车运行的安全问题。 2 2 共模、差模干扰 d c d c 变换器产生的电磁干扰可以分为传导干扰和辐射干扰两大类，本文 着重于传导干扰的抑制。传导干扰根据传播方向的不同，可分为两种：一种是 从电源进线引入的外界干扰，另一种是由电子设备产生并经由电源线传导出去 的噪声干扰。这表明了噪声的双向性，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一 个噪声源。若从干扰电流的流动途径来看，传导干扰又分为共模干扰和差模干 扰，共模干扰是两条电源线对大地( 简称线对地) 的噪声，大小方向一致，主 要由电源线对地的杂散电容c 。引起；差模干扰是两条电源线之间( 简称线对线) 的噪声，大小一致，方向相反，见图2 4 。 6 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 z s h h i o 图2 4 共模和差模干扰的电流示意图 一般来讲，需要抑制的传导干扰的频段范围为0 1 5 - - - 3 0 m h z ，而0 1 5 0 5 m h z 频段的差模干扰分量很大，o 5 - - 5 m h z 频段共模和差模干扰同时存在， 5 - - 3 0 m h z 频段的共模分量较大。但通常两种干扰是同时存在的，由于线路阻 抗不平衡等原因，共模干扰和差模干扰会互相转化，情况十分复杂1 4 l 。 抑制传导干扰的方法中应用最广泛的是在电源输入端加e m i 滤波器。e m i 滤波器对共模和差模干扰都要起作用。所以，实际设计中就要区分两种不同干 扰，才能有效地加以控制，以满足电磁兼容的标准。 2 3 滤波网络的基本结构 e m i 电源滤波器实质上是由串联电感、并联电容和必要的串并联电阻构成 的无源低通滤波器，专门滤去1 5 0 k h z 以上的高频噪声。一般来说，串联电感 对低频或直流信号是低阻，对高频信号是高阻，而并联电容正好相反，它对低 频或直流信号是高阻，对高频信号倒是低阻。电阻作为耗能或阻抗元件，合理 地应用可吸收电磁噪声和改变线路阻抗。e m i 滤波器的工作原理就是利用电感、 电容的高频特性把高频干扰信号的能量消耗掉，使这些干扰信号尽量少地进入 电子设备，而使工频信号和直流信号能毫无衰减地通过。 无论多复杂的电源滤波器，都可以把其中的基本滤波网络抽象出来，即我 们所熟知的丁型、n 型等滤波器，见图2 5 。 7 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 r 工it 爱 1n 。型i至，型i 图2 5 基本滤波网络 最简单的滤波器是单个旁路电容器，因为它可以为高频噪声提供低阻回流 通道，适用于连接滤波器的阻抗很高的情况。 型或r 型电路适用于驱动和负载的阻抗差别很大的情况。电感元件应该 与最小的阻抗连接。 丁型电路是在一个电容两侧各加一个电感，适用于驱动和负载的阻抗都很 低的情况。 兀型电路由两个电容环绕一个电感组成的，适用于驱动和负载的阻抗都很 高且所需的衰减级数很高的情况。 2 4e mi 电源滤波器设计中的基本概念、原则和原理 e m i 电源滤波器就是由上述的基本滤波网络组合起来的抑制传导干扰的低 通滤波器，下面介绍一些在e m i 滤波器设计过程中必须掌握的基本概念、原则、 原理等，为合理地设计打下基础。 2 4 1 阻抗失配原则 我们知道，根据网络分析，在工作频率范围内，若传输线的输入输出阻抗 匹配，可以最大限度地传输信号功率。于是很容易联想到对于噪声，若插入的 噪声滤波器的输入输出阻抗在工作频率范围内与端阻抗失配，就可以最大限度 地抑制噪声信号。从这个意义上说，e m i 滤波器是噪声失配滤波器。 这就引入了e m i 滤波器中一个非常重要的概念一一阻抗失配原则1 5 i ，它是 设计滤波器必须遵循的原则。滤波器的效果不仅跟其拓扑结构直接相关，还与 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 连接的网络阻抗有关。如上节所述，单个电容的滤波器在高阻抗电路中效果很 好，而在低阻抗电路中效果很差。 为了达到更好的滤波效果，必须遵循阻抗失配原则，根据源端和负载州 阻抗特性合理选取滤波器的网络结构和参数，如下： ( 1 ) 低的源阻抗和低的负载阻抗，选取( 丁) 型滤波器结构； ( 2 ) 高的源阻抗和高的负载阻抗，选取( n ) 。型滤波器结构； ( 3 ) 低的源阻抗和高的负载阻抗，选取( l c ) 。型滤波器结构； ( 4 ) 高的源阻抗和低的负载阻抗，选取( c l ) 型滤波器结构。 其中k 为级数。 ( 1 ) z s ，z l 低 r _ r m ( 2 ) z s 低z l 高 r 工 ，1 1 i 6 。d 憎e c ，n 2 3 1 i !工8 。d b j d e c ，n 2 4 ( 3 ) z s 、z l 高 ( 4 ) z s 高、z l 低 丁1 j t 工r 工工洲b d n ：3 工工 洲酬忏4 图2 6 滤波器的阻抗火配原则 以上原则可以更简单地概括为：面向感性高阻一端应选择容性低阻配置， 面向容性低阻一端应选择感性高阻配置。图2 6 是该原则的形象解释，刀为滤波 器的阶次，刀阶滤波器的衰减斜率为( 2 0 n ) d b d e c 。 若对一个端阻抗未知的或者在很大范围内波动的系统，为了得到良好的、 较稳定的滤波特性，应该在滤波器的输入和输出端同时并接一个固定电阻。 2 4 2 人工电源网络 9 第2 章e m i 电源滤波器摹本原理分析 人工电源网络，又叫做线路阻抗稳定网络( l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o n n e t w o r k ，l i s n ) ，是测量电源的传导发射和进行电磁兼容试验所必需的仪器。根 据电磁兼容试验的布置要求，运用l i s n 、接收机( 如频谱分析仪等) 和一些必 要的设备( 如接地板、测试用直流电源等) ，就可以在实验室进行控制电路电源 端口传导发射的预兼容测试。在实际的电磁兼容测试中，电磁兼容标准一般都 推荐在屏蔽室内进行传导发射的测试，而一般的实验室不具有专用的屏蔽室， 所以运用l i s n 和接收机进行预兼容测试或辅助滤波器设计。l i s n 使得测量工 作可以在任何地点重复进行。 使用l i s n 的目的是多重的。它一端连接被测设备( e q u i p m e n tu n d e rt e s t i n g ， e u t ) ，一端连接电源，起到隔离电源和被测设备的作用，使接收机测得的干扰 电压仅仅是e u t 发射的，不会有电源端的干扰混入。从这个意义上看，它可作 为一个“干净的”电源。接收机或频谱分析仪可以利用它来读取测量值。同时， 它提供一个稳定的均衡阻抗，因为在工作过程中，电源和被测设备的阻抗都是 随频率变化的，而接收机的阻抗是5 0 q ，为了准确测量噪声信号，需要阻抗匹 配，所以使用l i s n 来提供稳定的阻抗。 l i s n 分为交流和直流两种，对于本设计针对的d c d c 变换器控制电路而 言，电源端口是汽车1 2 v 直流电源，因此采用的是直流l i s n 。下面以直流的 汽车人工电源网络1 6 i 为例介绍一下它的实质和作用原理，其内部结构如图2 7 所示。 f i t i h ( a ) 低频( b ) 高频 0 q 图2 7 汽车人工电源网络电路图图2 8l i s n 的低频、高频等效电路 l i s n 可以看作一个双向低通滤波器。对于d c d c 变换器控制电路而言， 它所对应的电源端口是汽车1 2 v 直流供电电源，来自1 2 v 直流电源的干扰被 l g f 的电容和5 9 h 的电感滤掉，不能进入接收机。同时，l i s n 所对应的被测设 备，即d c d c 变换器控制电路中的电源模块，发射的噪声由于5 1 x h 电感的阻 1 0 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 挡不能进入1 2 v 直流电源，而是通过o 1 心的电容进入接收机。图2 8 表示了 l i s n 内部结构的低频、高频等效电路，低频时电感短路、电容开路，高频则相 反。 利用p s p i c e 软件仿真得到l i s n 的阻抗一频率特性曲线如图2 9 所示，可 以清楚看出其低通特性，且在高频段保持5 0 q 的稳定阻抗。 ：i ! o 一l 曩j - - 一_ - - i ”；一叠：| 簟节一 ? ；： ! - r - ：，r：j 一! 一“歹r “ + ：；：! ! i _ j 害| 一：爱i j j ：l ! ；| - 一耋： ，多誊： ；_ ：_ ，l _ 营l ；：“量薯i l | | i ； ： 图2 9 人j r 电源网络阻抗一频率特性 在掌握了人工电源网络的基本情况后，就可以根据规定进行车载零部件电 源端传导发射的测试。 2 4 3e m l 滤波器的基本原理图 因为e m i 电源滤波器不仅要能抑制传导干扰从外部进入内部系统，也要能 防止电路系统内部产生的电磁干扰对外部环境产生影响，起到很好的双向抑制 作用，还要能同时抑制共模干扰和差模干扰。根据上述要求，可以得到典型的 e m i 电源滤波器结构，见图2 1 0 。 图2 1 0 脚i 电源滤波器的典型结构 该电路具有互易性，把负载接在滤波器输入端或输出端原则上都是可以的， 尤其在源和负载阻抗相等的情况下。但若源和负载阻抗不相等，就要根据上一 第2 章e m ii u 源滤波器基本原理分析 节介绍的阻抗失配原则来连接。 图中包含的元件有共模扼流圈o 、差模扼流圈厶、共模电容c y ，差模电 容c 。c ，接在电源线和地之间，与0 一起抑制共模干扰；c ，跨接在两根电源 线之问，与厶之间一起抑制差模干扰。 共模扼流圈是种专门为共模e m i 滤波器设计的特殊电感。共模扼流圈由两 个匝数相同、绕向相反的绕组在一个闭合磁环上绕制而成，又称纵向扼流圈或 平衡线圈。理想情况下，共模电流流过该结构，产生的磁通相互叠加，具有很 大的电感量，从而对相线l 或零线n 对地形成的共模干扰起到抑制作用。而由 差模电流产生的磁通则互相抵消，从而差模电流几乎可以无衰减地通过。见图 2 1 1 。 差模扼流圈是采用单个绕组结构绕制成的单线扼流圈，串联在单根传输线 上，与负载直接串接。通常是把导线缠绕在磁损较大的铁粉芯上，具有一定的 电感，来抑制差模噪声，见图2 1 2 。但由于共模扼流圈在绕制时存在一定的漏 感，可充当差模电感，所以有时就省去了差模电感，而以共模电感的漏感代替， 共模l l l 流引起的磁通叠加 共模 流 差模电流引起的磁通抵消 图2 1 l 共模扼流罔 差模输 图2 1 2 差模扼流圈 出电流 电容c r 和g 用了两种不同的下标x 和y ，不仅说明了它们在滤波网络中的 作用，还表明了它们在滤波网络中的安全等级。有时相线和零线问还跨接一个 电阻r ，用来消除可能在滤波器中出现的静电积累。关于元件的选取将在下一 章里详述。 对于图2 1 0 的e m i 滤波器，可以分离出共模等效电路和差模等效电路1 9 j ， 如图2 1 3 和2 1 4 所示。e m i 滤波器的负载端阻抗，即前面所说的l i s n 阻抗， 如果认为其为理想的5 0 f 2 ，那么对共模电流而言，两个人工电源网络是并联的， 即共模情况下的负载阻抗是2 5 q ，而对差模电流，两个人工电源网络是串联的， 即差模情况下的负载阻抗是1 0 0 f 2 。 1 2 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 源阻抗的情况就比较复杂，而且其对滤波器的效果的影响也大。d m 噪声 源阻抗取决于变换器的拓扑和元件，而c m 噪声源阻抗取决于寄生参数。如果 把噪声源等效为一个电流源与电阻的并联，且按通常认为的共模噪声源阻抗 z r h 较大i lo j 而用电容面向共模源端，电感面向共模负载端，并令 0 村= k + 厶2 ，g 村= 2 g ，那么图2 1 3 可简化为图2 1 5 。图中的 1 g m 2 5 q ，以此来满足阻抗失配极大化原则。 l g扣 77 l _ 、 7 l 共 l c 1 2 l d i ， 模 2 c y 占 - i 尸 源 图2 1 3e m i 滤波器的共模等效电路 碍鼍：阡 差 模 噪 告 源 图2 1 4e m i 滤波器的差模等效电路 图2 1 5 共模等效电路的简化图2 1 6 差模等效电路的简化 而差模噪声源阻抗z d m 一般较小i l l l ，通常满足2 o , g z n ，因此可以忽 略y 电容，并用电感面向差模噪声源端，电容面向负载端，令= k 幻f + 2 ， c o u = o i ，且1 缈q 2 z 删时，图2 1 4 可简化成2 1 6 。图中的纠勘 z 伽， 1 ( a c o u 1 0 0 q ，以此来满足阻抗失配极大化原则。 当然，以上两个简化图都是在通常认为的共模噪声源阻抗大、差模噪声源 阻抗小的情况下得到的拓扑，具体的拓扑要根据具体的开关电源电路来分析。 2 4 4 插入损耗 2 4 4 1 定义 评价e m i 电源滤波器的性能的一个关键指标是插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ， 1 3 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 ，l ) ，它可用来衡量e m i 电源滤波器对干扰的抑制能力。i n s e r t i o nl o s s ( 有些 研究人员也把插入损耗等同于衰减，本文为方便起见也做这样的等同) 定义1 1 2 i 为，未接入滤波器时从噪声源传输到负载的功率只和接入滤波器后噪声源传输 到负载的功率只之比，用d b ( 分贝) 表示为 胀d b ( - 每2 ) = l o l o g ( 鲁) = 2 0 l o g ( u 邕) ( 2 2 ) 定义图如图2 1 7 所示，进一步推导得 儿划崦叶毫， 陇3 ， 这里，乙为噪声源阻抗，乙为负载阻抗，z f 为滤波器的阻抗。 v sz l v s e m i 滤 波 器 图2 1 7 滤波器插入损耗的定义图 其实通过集总参数电路分析，可以得到滤波器的噪声抑制性能的理论值， 但由于实际上并不存在理想的电容、电感和电阻，随着频率的升高，分布参数 或寄生元件特性会影响滤波器的性能。所以，一般是按照规定的方法测量滤波 器的插入损耗，即根据其定义分别在线路中接入和不接入滤波器的情况下，测 量线路负载端的电压降一一频率响应，两种情况下的测量值之比即为插入损耗。 从定义式可以看出，插入损耗越大则滤波器的滤波效果越好。要在保证滤 波器安全、环境、机械和可靠性能满足有关标准要求的前提下，实现尽可能高 的插入损耗。 2 4 4 2 影响因素 一般商用的e m i 电源滤波器都会提供插入损耗曲线，但基本上都是在 5 0 5 0 f 2 的标准条件下测得。而实际的滤波器不可能工作在这样理想的条件下， 大多工作在源和负载阻抗失配情况，因此这样的插损曲线的实际意义并不大。 所以除了标准的插损测量条件，有些厂商还提供源和负载阻抗为0 1 l o o f 2 和 1 4 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 1 0 0 0 1 f 2 时的测量曲线。这是基于c i s p r l 7 1 1 3 i ，被称为“接近最坏情况的测量”， 目的是为了提供接近实际工作状态的插损曲线。 除了阻抗失配，另一个影响插入损耗的因素是分布参数。在i 瓯拟段，电感 和电容的分布参数可忽略不计，但在较高频段，分布参数对插损的影响就会明 显显现出来。电容的分布电感、电感的分布电容等都会参与电路运算。解决分 布参数、提高插损的方法有：a 选择优质元件；b 估计元件分布参数，建立e m i 滤波器高频等效模型，并把元件分布参数加入滤波器的设计中。这种方法从电 路结构和设计方法入手减少元件分布参数对i l 的影响；c 如果i l 达不到要求， 可以增加滤波器的级数。 影响插入损耗的主要因素还有工作温度和额定工作电流。e m i 滤波器的插 入损耗测量标准，c i s p r l 7 ，m i l s t d 一2 2 0 a 和g b 7 3 4 3 - - 8 7 所规定的测量 方法中，都一致强调了要在加载额定电流条件下进行插入损耗的测量。这是因 为滤波器中的电感用了铁氧体或其他磁性材料，在大电流下工作，磁性饱和状 态会引起性能变坏。 另外，若滤波器安装不当也会影响插入损耗，安装问题将在之后的章节中 进一步讨论。 2 4 4 3 二端口网络参数与插入损耗的关系 1 t 参数 事实上，正如前面提过，通过集总参数电路分析，可以得到e m i 滤波器的 噪声抑制性能的理论值。那么为了进一步研究滤波器的插入损耗，表征e m i 滤 波器的性能，在此引入二端口网络理论。 严格地说，e m i 滤波器并不是一个线性网络，因为它含有电感、电容等非 线性元件。但在小信号激励下，能近似地看作是线性的。因此我们把在小信号 激励下的e m i 滤波器看作一个线性无源二端口网络，那么就可以用二端口网络 的各种参数矩阵来描述它。 二端口网络的电流电压关系图为： 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 + l l1 2 i 一 一 线一陀尢源 r i 、 二端li 网络 ， 图2 1 8 线性无源二端口网络的电流电压关系 + 常见的描述其特性的参数有z 参数0 1 4 i 、y 参数、h 参数以及t 参数。各参 数方程表示为： z 徽夏嚣：髦；y 戮戡= y 2 , ”v 。+ m y 2 2 ，2 2 v 2 ； h 戮戮= h | l i 枞! 4 - h 2 ：v 2 ；t 戮z 叫= d v 2 一- 必b 1 2 。 以t 参数为例，来分析和描述e m i 滤波器的特征( 其他参数同理可得) 。 根据图2 1 7 ，有下式： u = 珞一i , g( 2 4 ) 【u 2 = 一1 2 z l 联立t 参数方程，可得： = a + b - b - 靠+ c z s + d z s ( 2 5 ) z lz 于是，e m i 电源滤波器的插入损耗可表示为： 儿划长划i ( 2 6 ) 可以看出，e m i 滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参数以及源端阻抗 和负载端阻抗都有关。于是，对于一个t 参数已知的滤波器来说，只要知道源 阻抗和负载阻抗就可以计算出插入损耗的理论值。 根据共模等效电路图2 1 3 ，可推导得到共模情况下滤波器的t 参数： 1 6 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 胁融g 鲁c m 汜7 ， = 孚+ z c 咖( 每圳z c r2 志 根据差模等效电路图2 1 4 ，可推导得到差模情况下滤波器的t 参数： 纠= 1 + 血 z c x 1 ( z 删+ z 甜) ( z c x + 2 z c y ) z c x2 z c y z c x l 式中参数分别为： z d m - 2 z d + z b 弘2 j 国q 。，z c x c x t _ z m = 彘， z c r2 面1 将上两式代入( 2 6 ) ，可分别得到共模和差模情况下的插入损耗。 其樽桶榀为 i l c h = 2 0 l o gz l + ( j c 口z l o + 弘k ) + 2 j 缈c v z s z l +l 一2 缈2 c y ( k + 每) z s z s + z l i ( 乙+ 乙一2 c a 2 c r k 乙+ 彩2 c y l o z s ) 2i - 1 0 1 0 9 i + ( 牛+ 缈k 勘c y 乙z l ) ：i - 2 0 1 0 甙酗纠 l 二 j 差模损耗式子比较复杂，但可同理推导得到。 根据上述几个式子，在t 参数和z ，已知的情况下，只要有噪声源阻抗z 。就 可计算出插损值，来描述e m i 滤波器的性能。当然z 。的情况很复杂，前面也 1 7 z - |z | + 一k 幺 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 提到过，后面还要讨论。根据文献1 1 5 i 的开关电源噪声源阻抗的测量方法，可看 到差模源阻抗可等效为个电阻和电感的串联，阻抗值比较小，典型值在1 0 q 以下。共模干扰主要由丌关电源与地之间的分布电容产生的，源阻抗是个值较 小的电容，典型值在1 0 0 p f 以下i 加ll l l l 。所以，就可以根据典型值来进行估算。 还可在进行滤波器设计时，根据噪声源阻抗和负载阻抗来选择合适的电感 和电容来构建滤波器。通过相应的数据手册获得元件的具体数值，然后根据上 述方法计算滤波器的插入损耗。 当然正如前面说过，高频下的寄生参数会影响插入损耗的实际值，所以为 了改善计算得到的插损，可以进行必要的修j 下。 其中一种为切比雪夫修正系数法i l 引。为了克服式( 2 6 ) 中的不足，引入切 比雪夫系数m ( 缈) ，即将式( 2 6 ) 减去2 0 1 9 m ( c o ) i ，可获得修j 下改善后的插入 损耗。切比雪夫系数为m ( c o ) = c o + c i 。+ 乞+ 乞+ 吒+ 吃+ 吒+ 吒+ 吃。 其中，c o = - 2 2 4 7 4 8 2 ，c i 。= 5 6 8 8 8 0 4 ，c 2 。= 一6 1 8 8 6 3 1 ，c 3 。= 3 7 9 0 2 1 6 ， c 4 。= 一1 4 2 7 4 8 8 ，g 瑚= 3 3 8 0 8 1 ，c 6 。= 4 9 1 1 6 ，c 7 脚= 3 9 9 7 ，c 8 。= 一1 3 9 。 2 s 参数 s 参数是在射频领域里应用较广泛的一个概念，在此提出，是因为其相对 于传统的z 参数、y 参数、t 参数，在高频情况下分析更为有用。 文献1 1 7 i 中详细介绍了s 参数的推导过程，依据是将传输线理论应用n - 端 口网络中。定义传输电压波e 为端口l 的输入电压波，巨，为端口2 的输入电 压波，巨，为端口1 反射回去的电压波和巨经过网络传输的部分，e 为端口2 反射回去的电压波和e ，经过网络传输的部分。如下图。 v s 一 线性无源+ 。a z i 一 ! j ：端u 二2 一一k 1 网络 e “一 b 卜 e 吐+ _ e 吐 图2 1 9 传输线上插入二端口网络，并标注了传输波 第2 章e m i 电源滤波器基本原理分析 定义一组熟使得满足嚣燃复：乏篙。女口果方酾边同时除 以厄，关系式不会变，只是改变了变量，新的变量定义为： 旷e l 。 厄；旷e i 2 厄b 。= er 。 瓯i b 2 = e ? 2 厄 z o 即传输线特征阻抗，这早作为参考阻抗，般选5 0q 。注意到，这些新 变量的幅值的平方有功率的量纲，就是传输功率波，我们简称为传输波。于是， 将上面方程改变一下，成为： j 岛2 狮+ s ：口z ( 2 1 0 ) 【6 2 = 是i a i + 是2 a 2 墨。、墨：、最、最：这四个参数