开关电源EMI滤波器的设计仿真

第３５卷第４期黑龙江水专学报Ｖ０１．３５，Ｎｏ．４２００８年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｃ．，２００８文章编号：１０００—９８３３（２００８）０４—００７１－０３开关电源ＥＭＩ滤波器的设计仿真姜禹强１，康尔良１，赵鹏２（１．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨１５００４０ｔ２．哈尔滨第二电业局计划部。哈尔滨１５００７６）摘要：分析了开关电源的共模噪声和差模噪声。在开关电源滤波器阻抗失配的原则下设计了滤波器的结构。给出了开关电源的差模等效电路和共模等效电路模型，介绍了主要参数的选取，并用ＰＳｐｉｃｅ软件对滤波器插入损耗进行了仿真，给出了仿真结果。关键词：开关电源；滤波器；插入损耗中图分类号：ＴＮ８６文献标识码：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开关电源以其体积小，重量轻，效率高，稳压范信号来表示。差模干扰是火线与零线间流动的电流围广，电路形式灵活等优点在现代电子系统中得到噪声，共模干扰是火线或零线与地线间流动的电流了越来越普遍的应用。随着国际和国内电磁兼容噪声。抑制差模干扰信号和共模十扰信号普遍有效（ＥＭＣ）法规的日益完善和严格执行，设计和解决开关的方法就是在开关电源输入电路中加装电磁干扰滤电源产品的电磁干扰问题显得尤为重要。开关电源波器。的工作频率较低，一般只有几十ｋＨｚ到２００ｋＨｚ，其开关电源的输入滤波器是由无源器件电容和电谐波成分的骚扰频率范围也＜３０ＭＨｚ，多数开关电感构成的低通滤波器。文献Ｅ１］指出，电源滤波器的源的尺寸＜３０ＭＨｚ所对应的波长（１０ｍ），故在小性能很大程度上取决于其端阻抗，即电源端差模、共功率开关电源中抑制传导干扰显得尤为重要。模阻抗和负载端差模、共模阻抗。根据信号传输理由于日ｍ传导干扰通常难以精确描述，所以ＥＭＩ论，滤波器输入端与电源端的端接、滤波器输出端与滤波器通常是经过反复迭代计算来逐次逼近设计要负载端的端接应遵循阻抗极大不匹配原则。因此，求，计算设计过程相当繁复。利用ＰＳｐｉｃｅ的强大仿真滤波器设计时应遵循：①源内阻是高阻（低阻）的，功能可以大大提高工作效率。本文给出了滤波器的共滤波器输入阻抗就应该是低阻（高阻）；②负载是模和差模等效电路模型、并介绍利用ＰＳｐｉｃｅ软件对共高阻（低阻）的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻（高模、差模等效电路的插入损耗进行仿真分析的方法。阻）。开关电源作为噪声源是高阻抗的，所以滤波器的输出端应当是低阻抗的电容器Ｃｘ２。而电源端１ＥＭＩ滤波器的结构的火线Ｌ与零线Ｎ间是低阻抗的，所以滤波器的输在线路中的传导干扰信号，均可用差模和共模入端是高阻抗的电感器，为减小体积，降低成本，采用共模电感漏感作为差模电感。为进一步抑制差模收稿日期：２００８—１０—０８；修订日期：２００８—１０—１５噪声，在滤波器输人端增加一个差模电容Ｃｘ，，Ｃｘｘ作者简介：姜禹强（１９７８一），男。黑龙江密山人，硕士研究生，研究的容抗要比火线Ｌ，零线Ｎ的线间阻抗低得多，所方向：永磁同步电机适量控制，Ｅ－ｍａｉｌ：ｕｎｄｅａｄｂｉｒｄｓｓ＠ｓｏｈｕ．ｏＤｍ。以Ｃｘ。的电容选的比较大。在滤波器的输出端由对万方数据７２黑龙江水专学报第３５卷ｌＩ－２插入损耗计算公式一Ｃ巡Ｉ厂］Ｉ簋。号＝＝＝＝＝｝卜—－１ＩＩＩｘｌＣｘ２插入损耗是ＥＭＩ滤波器的重要参数，插入损耗越大，抑制噪声的能力越强。插入损耗的定义为，没有滤波器接人时，从噪声源传输到负载的功率Ｐ，和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率Ｐ。之比，用ｄＢ（分贝）表示。工．Ｌ＝ＩＯ１９（鲁）（１）肛鬟＾一罢㈣所以儿卸・ｇ（甏）翎－ｇ（谤）㈤盱撬由图２得（４）设图３二端Ｅｌ网络的Ａ参数矩阵为Ａ—Ｐ印２ｌ则：ｆＶ２：ａｌｌＵ＋口１２ｊ２ＪＪ１吼ｚＭｈ２２Ｌ（５）Ｖ２＝２ＶＳ——１１Ｚｓ【Ｖ３一Ｉｚ乙解方程组得耽一石干石瓦再ｇｉｓ茅瓦瓦（６）将式（４），式（６）代人式（３）得插入损耗计算公式“－２０ｌ刮地盘毒尝互地ｌ（７）图２未接滤波器等效电路图３接滤波器等效电路Ｆｉｇ．２ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌＦｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆ１１０ｆｉｌｔｅｒｗｉｔｈｆｉｌｔｅｒ万方数据３共模。差模等效电路滤波电路中，共模和差模两种滤波元件对彼此的噪声都有抑制作用，将滤波器电路图１分解为共模等效电路和差模等效电路见图４，图５，其中：Ｌ如为共模电感的漏感Ｌ。一ＬＣｙｌ一Ｃｎ—Ｃｖ，１ｅ—Ｇ２－Ｆ一百｛．－－＇Ｙ１二王Ｅ工图４共模等效电路图５差模等效电路Ｆｉｇ．４ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆＦｉｇ．５Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅ共模等效电路Ａ参数矩阵为．ｒｌ一御２Ｌ。Ｃ，Ｊｃ止。］＾一ｌＬ歹∞Ｇｉ∞ｃ。１１－ＪＪ差模等效电路Ａ参数矩阵为Ａ＝＝广１一∞２Ｌ。Ｃ，歹乱ＩＬｄｍ］Ｌ歹叫（Ｇ１＋ｅ一（ｃＪ２ＣｌｅＬ如１—０＃２Ｌ，ｂ。Ｃ，１．Ｊ将Ａ参数矩阵数值带人插入损耗计算得共模等效电路插入损耗为Ｊ．Ｌ＝１０ｌｇ［（磊一埘２Ｌｃ。Ｃ。ＺＬ＋Ｚｓ）２＋（叫Ｃ。ＺｓＺＬ＋ｃ吐Ｌ。。）２］一２０ｌｇ（Ｚｓ＋乏Ｉ）差模等效电路插入损耗为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）上述公式给出了插入损耗与电路参数的关系。在实际情况下，开关电源的阻抗值随频率的变化而变化，滤波器一般１二作在阻抗不匹配的状况，可利用专门的仪器，测量出干扰源的等效阻抗和负载等效阻抗，以及未加滤波器之前的共模和差模干扰的频谱，然后就可以根据ＥＭＩ滤波器的共模和差模模型进行仿真设计。参数计算的过程中，为简化计算，减少变量，设源阻抗磊，负载阻抗均五为５０Ｑ。在一定的条件下，滤波电容的值尽量选得比较大。共模电容的失效会导致电流泄露，容易引起触电。故共模电容有最大漏电流的限制，应＜０．０１＿ｕＦ。差模电容失效后不会造成人员的电击，所以差模电容可第４期姜禹强，等．开关电源ＥＭＩ滤波器的设计仿真７３取大些，一般为１～５肚Ｆ。确定了源阻抗己，负载阻抗ＺＬ，差模电容，共模电容的值后，上述公式就变成了以Ｌ为自变量，Ｊ．Ｌ为因变量的一元函数。在已知ＥＭＣ标准规定的相应频段下的插人损耗值时，就可利用上述公式求出电感的值。对开关电源干扰信号进行分析，确定各频率点对应的所需插入损耗的值，由插入损耗计算公式求出等效共模电感的值。经计算，得共模电感的值为５．６ｍＨ。４共模，差模等效电路的ＰＳｐｉｃｅ仿真取Ｒｓ—ＲＬ一５０Ｑ，共模电容ｃｙ，一Ｃｙ２—２２００ｐＦ，差模电容Ｃｘｌ—Ｃｘ２—０．６８ＦＦ，共模电感Ｌ。一５．６ｍＨ，取差模电感Ｌ如一Ｌ。／１００—０．０５６ｍＨ。图６无滤波器ＰＳｐｉｃｅ仿真模型在ＰＳｐｉｃｅ建立仿真Ｆｉｇ．６ＰＳｐｉｅｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ模型见图６～图８。ｍｏｄｄｏｆｎｏｎｎ盯元件的寄生参数也会极大地影响滤波器的高频特性。因为在高频时，滤波器的分布电感，分布电容的影响不能忽略，建立滤波器高频等效电路模型见图９，图１０，所仿真出的结果更接近实际情况。图７共模等效电路ＰＳｐｉｃｅ图８差模等效电路ＰＳｐｉｅｅ仿真模型仿真模型Ｆｉｇ．７ＰＳｐｉｅｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌＦｉｇ．８ＰＳｐｉｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅ图９高频共模等效电路模型图１０高频差模等效电路模型Ｆｉｇ９Ｈｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ№１０Ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｍｏｄｅｌｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅ同理可在ＰＳｐｉｃｅ下建立高频等效电路仿真模型，建立滤波器高频等效电路模型，取元器件的高频分布参数见表ｌ。万方数据表１高频分布参数值Ｔａｂｌｅ１Ｖａｌｕｅｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓ在ＰＳｐｉｃｅ下执行交流扫描分析，结果见图１１，图１２。同理，可以使用相同的方法方便地设计仿真其它各种形式的ＥＭＩ滤波器。Ｏ№１０ｋＨｚ０００ｋＨｚ１０Ｍ’ＨｚＤＢ（Ｖ（Ｖｉｎ）Ｖ（Ｖｌｘｃｍ））Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ图１１差模插入损耗№ｎＩｎｓｅｒｔｉｏｎｌＯＳＳｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｏｄｅＬ）Ｂ（Ｖ（Ｖｉｎ）Ｖ（Ｖｌｘｃｍ））Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ图１２共模插入损耗Ｆｉｇ．１２Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅ５结语开关电源干扰的抑制是一个十分复杂的问题，在设计开关电源时，应对电源可能的电磁干扰问题进行充分估计。根据ＣＩＳＰＲ的相关标准，可以采用Ｒｓ／ＲＬ—Ｏ．１Ｑ／１００Ｑ及尺ｓ／ＲＬ＝１００ｎ／ｏ．１Ｑ的测量方法对滤波器性能进行仿真验证。本文首先确定了滤波器的网络结构，并给出了滤波器的等效电路，经过仿真分析，取得了预期的结果。参考文献：ＥＩ］张逸成，韦华，朱学军．等．开