共模和差模濾波器方案

引言

功率開(kāi)關(guān)器件的高額開(kāi)關(guān)動(dòng)作是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開(kāi)關(guān)頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量，另一方面也導(dǎo)致了更為嚴(yán)重的EMI問(wèn)題。如何減小產(chǎn)品的EMI，使其順利通過(guò)FCC或IEC1000等EMC標(biāo)準(zhǔn)論證測(cè)試，已成為目前急須解決的問(wèn)題。圖11 EMI分析

具體電路如圖1所示。

輸入為交流220V，經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)橹绷髯鳛榉醇ぷ儞Q器的輸入，輸出為三組直流：+5V，15V，12V，另外有一輔助電源5V，用來(lái)給光耦PC817供電?？刂齐娐酚梅答伩刂疲x用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。

開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，其內(nèi)部的電壓和電流波形都是在非常短的時(shí)間內(nèi)上升和下降的，因此，開(kāi)關(guān)電源本身是一個(gè)噪聲發(fā)生源。開(kāi)關(guān)電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。使電源產(chǎn)生的干擾不至于對(duì)電子系統(tǒng)和電網(wǎng)造成危害的根本辦法是削弱噪聲發(fā)生源，或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網(wǎng)之間的耦合途徑。

本電路中，交流輸入電壓Ui經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動(dòng)電壓，經(jīng)電容C12平滑后變?yōu)橹绷?，但電容電流的波形不是正弦波而是脈沖波。如圖2所示。

由圖2中電流波形可知，電流中含有高次諧波。大量電流諧波分量流入電網(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。另外，由于電流是脈沖波，使電源輸入功率因數(shù)降低。

2.1 高次諧波的抑制

在電路中采用共模扼流圈L11來(lái)抑制高次諧波。

對(duì)開(kāi)關(guān)電源二根進(jìn)線而言，存在共模干擾和差模干擾，如圖3(a)及圖3(b)所示。

在差模干擾信號(hào)作用下，干擾源產(chǎn)生的電流i，在磁芯中產(chǎn)生方向相反的磁通Φ，磁芯中等于沒(méi)有磁通，線圈電感幾乎為零。因此不能抑制差模干擾信號(hào)。

在共模干擾信號(hào)作用下，兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強(qiáng)的作用，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍。因此，這種接法的電磁線圈對(duì)共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用。

電路中在電網(wǎng)與整流橋之間插入一共模扼流圈，該扼流圈對(duì)電網(wǎng)頻率的差模網(wǎng)側(cè)電流呈現(xiàn)極低的阻抗，因而對(duì)電網(wǎng)的壓降極低;而對(duì)電源產(chǎn)生的高頻共模噪聲，等效阻抗較高，因而可以得到希望的插入損耗。

2.2 扼流圈L11與C11組成低通濾波器

扼流圈L11的等效電感為L(zhǎng)，以電源端作為輸入，電網(wǎng)方向作為輸出，則電路圖如圖4所示。

其傳遞函數(shù)幅值為

如圖5所示。由此可見(jiàn)，以上LC網(wǎng)絡(luò)組成的低通濾波器，可濾除ω0=1/LC11以上的高次諧波。

2.3 共模和差模濾波器方案

本電路主要的EMI問(wèn)題是電源噪聲傳入電網(wǎng)，將原來(lái)的共模扼流圈L11與電容C11及C12組成的濾波電路變?yōu)槿鐖D6所示電路。L1，L2，C1可除去差模干擾，L3，C2，C3可除去共模干擾。L1，L2為不易磁飽和的材料;C1可選陶瓷電容;L3為共模扼流圈;選定C=C2=C3及截止頻率fo，則可根據(jù)L3=1/〔(2πfo)2C〕計(jì)算L3;選定C1及截止頻率fo，可根據(jù)L1=L2=1/〔2(2πfo)2C1〕計(jì)算L1及L2。

2.4 緩沖電路

由于開(kāi)關(guān)的快速通斷，開(kāi)關(guān)電流、電壓波形為脈沖形式，產(chǎn)生噪聲污染，增大了電源輸出紋波，影響了電源的性能。

在電路中，輸入為交流220V，經(jīng)整流后電容上的電壓約為交流有效值的1.2～1.4倍，即最大時(shí)為Ucm=220×1.4=308V。另外，變壓器副邊折合到原邊的電壓Up=Un×88/9，Un取副邊第一繞組的電壓，一般為9V左右，使穩(wěn)壓輸出為5V。則Up=88V。因此，開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)所要承受的總電壓Ut=Ucm+Up=308+88=396V?？梢?jiàn)有必要對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。電路選用的TOPSwitch開(kāi)關(guān)芯片，其內(nèi)部有過(guò)壓保護(hù)和緩沖電路。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，還增加了外部的緩沖電路，由R和C組成。

未加入緩沖電路和加入緩沖電路之后開(kāi)關(guān)管電壓ut和管電流ic及關(guān)斷功耗pt的波形如圖7(a)及圖7(b)所示。加RC緩沖電路后，開(kāi)關(guān)電壓上升速率變慢，噪聲減弱，抑制了EMI，并且開(kāi)關(guān)功耗變小，使管子不致因過(guò)流過(guò)熱而損壞。緩沖電路中的R在開(kāi)關(guān)開(kāi)通，電容C放電時(shí)起限流作用，避免對(duì)開(kāi)關(guān)管的沖擊。

對(duì)于開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)的電流沖擊，由于有變壓器原邊線圈Np的限流，在電路中沒(méi)加限流電感。

2.5 光電隔離

Flyback電路中使用PC817光耦對(duì)主電路和控制電路進(jìn)行隔離。電源電路中，開(kāi)關(guān)的控制非常重要，精度、穩(wěn)定性要求高，且控制電路對(duì)噪聲敏感，一旦有噪聲，控制電路中的控制信號(hào)就會(huì)紊亂，嚴(yán)重影響電源的工作和性能。因此，用PC817將電源中的兩部分進(jìn)行隔離，這樣便防止了噪聲通過(guò)傳導(dǎo)的途徑傳入到控制電路中。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)EMI分析及采用相應(yīng)的抑制方法，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源具有抗電磁干擾性強(qiáng)，電源穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。在縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，滿足了對(duì)三菱模塊(IPM)的驅(qū)動(dòng)控制，使電機(jī)運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定。