直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的EMI濾波器設(shè)計(jì)

引言

    直流電機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)電源，已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的開(kāi)關(guān)電源，它直接參與了直流電機(jī)的控制工作，其特有的微機(jī)接口控制和上電時(shí)序控制功能尤其適合直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)的通用型大功率電源有著明顯的的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其多功能的技術(shù)特點(diǎn)，符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的發(fā)展方向。然而，隨著電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高(幾百伏至幾千伏)、隨機(jī)性強(qiáng)，尤其會(huì)對(duì)微機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，常使人防不勝防。

    電磁干擾濾波器(EMI Filter)是近年來(lái)被推廣應(yīng)用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高伺服系統(tǒng)和電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。本文介紹的就是一種直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的EMI濾波器設(shè)計(jì)。

濾波器設(shè)計(jì)

    根據(jù)直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中的EMI濾波器采用雙級(jí)LC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，雙級(jí)LC網(wǎng)絡(luò)插入開(kāi)關(guān)電源電路中的位置如圖1所示。

    假定直流電源側(cè)為低阻抗電壓源US，DC／DC變換器輸入端為高阻抗電流源i(t)。那么LC濾波器只能選擇“?！毙徒Y(jié)構(gòu)，最簡(jiǎn)單的雙“Γ”型LC網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。其頻域傳遞函數(shù)為：

    由于LC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流(電壓)峰值，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)頻率點(diǎn)的諧振峰值是必須限制，否則，會(huì)產(chǎn)生更大的EMI。限制這3個(gè)頻率點(diǎn)的峰值是設(shè)計(jì)這個(gè)濾波器的主要指導(dǎo)思想。這3個(gè)頻率點(diǎn)分別是：

    由于LC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流(壓)峰值，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)頻率點(diǎn)的諧振峰值是必須限制，否則，會(huì)產(chǎn)生更大的EMI。限制這3個(gè)頻率點(diǎn)的峰值是設(shè)計(jì)這個(gè)濾波器的主要指導(dǎo)思想。這3個(gè)頻率點(diǎn)分別是：

    第一級(jí)濾波器的諧振頻率：

    第二級(jí)濾波器的諧振頻率:

    第3個(gè)頻率點(diǎn)就是DC／DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率f。

    下面具體討論濾波器設(shè)計(jì)方法，即選取LC網(wǎng)絡(luò)中元件參數(shù)的方法：

    由上面3個(gè)式子，3個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)的幅值分別為：

    元件參數(shù)選取方法討論如下：

    為了限箭f1點(diǎn)的諧振峰值，要求插入衰減

    zollogH1=zologC1／C2＜0，即C1

    元件參數(shù)選取步驟歸納如下：

    (1) 由(7)～(9)式確定了比值，這樣只有二個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的；

    (2) 由于濾波器負(fù)載側(cè)(開(kāi)關(guān)電流i(t)側(cè))諧波分量較大，C2應(yīng)選一個(gè)大容量電容器。

    (3) 由(1)、(2)步結(jié)果代入(9)式，就可以確定另一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。

    (4) 由直流側(cè)電源Us確定電容器額定電壓值Uce≥2Us。

    例如：若開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率f=50kHz，Us=24V，由上述參數(shù)選取原則，選取二組參數(shù)見(jiàn)表1。

EMI濾波器的技術(shù)參數(shù)及測(cè)試方法

主要技術(shù)參數(shù)

    EMI濾波器的主要技術(shù)參數(shù)有：額定電壓、額定電流、漏電流、測(cè)試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗AdB、外形尺寸、重量等。上述參數(shù)中最重要的是插入損耗(亦稱插入衰減)，它是評(píng)價(jià)電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

    插入損耗(AdB)是頻率的函數(shù)，用dB表示。設(shè)電磁干擾濾波器插入前后傳輸?shù)截?fù)載上的噪聲功率分別為P1、P2，有公式：

    AdB=101g(P1／P2) (10)

    假定負(fù)載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12／Z，P2=V22／Z。式中V1是噪聲源直接加到負(fù)載上的電壓，V2是在噪聲源與負(fù)載之間插入電磁干擾濾波器后負(fù)載上的噪聲電壓，且V1<

    AdB=201g(V1／V2) (11)

插入損耗的測(cè)量方法

    插入損耗用分貝(dB)表示，分貝值愈大，說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。測(cè)量插入損耗的電路如圖3所示。US是噪聲信號(hào)發(fā)生器，Zi是信號(hào)源的內(nèi)部阻抗，ZL是負(fù)載阻抗，一般取50Ω。噪聲頻率范圍可選10kHZ～30MHz。首先要在不同頻率下分別測(cè)出插入前后負(fù)載上的噪聲壓降V1、V2，再代入(11)式中計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)的AdB值，最后繪出插入損耗曲線。

結(jié)語(yǔ)

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的LC雙級(jí)濾波器具有濾波效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。