基于二端口網(wǎng)絡(luò)理論的開關(guān)電源直流EMI濾波器的設(shè)計及實現(xiàn)

摘要：介紹了基于二端口網(wǎng)絡(luò)理論的開關(guān)電源直流EMI濾波器設(shè)計的一般原理和方法。該原理適合于任何濾波器的設(shè)計，在實際應(yīng)用中取得了良好的濾波效果。

關(guān)鍵詞：EMI濾波器；輸入導(dǎo)納；輸出阻抗

0    引言

    電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對電子儀器和設(shè)備提出了更高的要求：性能上，更加安全可靠；功能上，不斷增加；使用上，自動化程度越來越高；體積上，要日趨小型化。這使得具有眾多優(yōu)點的開關(guān)電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。但是，在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其交變電壓和電流會通過電路的元器件產(chǎn)生很強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾嚴重地污染了市電電網(wǎng)，影響了鄰近電子儀器及設(shè)備的正常工作；同時，由于這一缺點，使得開關(guān)電源無法應(yīng)用于一些精密的電子儀器中，因此，盡量降低開關(guān)電源的電磁干擾，提高其使用范圍，是從事開關(guān)電源設(shè)計必須考慮的問題。

    本文應(yīng)用了二端口網(wǎng)絡(luò)的原理，對開關(guān)電源中直流EMI濾波器進行了分析，給出了直流EMI濾波器設(shè)計的一般方法及相關(guān)參數(shù)的計算方法。

1    基于二端口網(wǎng)絡(luò)直流EMI濾波器的設(shè)計

    目前廣泛使用的開關(guān)電源，無論單橋式、推挽式、半橋式、全橋式都可以歸納為圖1所示的形式（以單相為例）。

圖1    開關(guān)電源的一般性原理圖

    由圖1可以看出，通過對直流EMI濾波器的配置，可以改變電路的等效阻抗，進而達到預(yù)期的濾波效果。

    直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。其混合參數(shù)方程為

    （1）

式中：g11為輸入導(dǎo)納；

      g22為輸出阻抗；

      g12為反向電流增益；

      g21為正向電壓增益。

圖2    直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡(luò)模型

    由式（1）可以等效出如圖3所示的原理圖。

圖3    直流EMI濾波器等效原理圖

    直流EMI濾波器設(shè)計必須滿足以下幾項要求：

    1）要保證濾波器在濾波的同時，不影響電源的帶負荷能力；

    2）對于輸入的直流分量，要求濾波器盡量不造成衰減；

    3）對于諧波分量，濾波器要有良好的濾波效果。

    結(jié)合混合參數(shù)方程及等效原理圖,由要求1）知，濾波器的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗要盡可能小，即g11=g22=0

    由要求2）知，低頻時，反向電流增益g12和正向電壓增益g21設(shè)計值要盡量為1，而輸入導(dǎo)納和輸出阻抗要盡可能小,也即g12=g21=1，g11=g22=0；

    由要求3）知，高頻時，g11，g12，g21，g22都要盡可能地小。

    以上的分析結(jié)論就是直流EMI濾波器設(shè)計的一般方法及濾波效果的評判標(biāo)準(zhǔn)。

2    實例分析

    LC濾波器和四階直流線路濾波器是工程實際中常用的濾波器,下面就以上面的結(jié)論分析其濾波效果。圖4為LC濾波器原理圖。

圖4    LC濾波器原理圖

    其混合參數(shù)方程為

（2）

    對于直流分量，由于f趨向于0，對應(yīng)有ω=2πf趨向于0；顯然g11=g22=0；g12=g21=1。

    對于諧波分量，

    |g11|=；|g12|==|g21|；|g22|=。

    考慮到當(dāng)ωL>10時，顯然有g(shù)11=g12=g21=g22=0。分析系統(tǒng)的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗，要保證輸入導(dǎo)納g11趨向于0，必然使得L取值很大；要保證輸出阻抗g22趨向于0，必然使得C取值同樣很大，這給工程實際應(yīng)用帶來了局限性，這也正是LC濾波器的缺點。

    在工程實際中廣泛應(yīng)用的四階直流線路濾波器其原理圖如圖5所示。

圖5    四階直流線路濾波器原理圖 
   其混合參數(shù)方程為

（3）

式中：

    g=。

    如果令z=，則可以求得相應(yīng)的參數(shù)如下：

    g11=gz；g12=g21=z；g22=－L1sz。

    下面分析此濾波器電壓傳遞函數(shù)的幅頻特性，濾波器的電壓傳遞函數(shù)為

    G(s)==（4）

    將參數(shù)g代入，應(yīng)用MATLAB做出其對數(shù)幅頻特性曲線如圖6所示。

圖6    系統(tǒng)的幅頻特性曲線

    顯然，在低頻段輸出電壓的衰減較小，高頻段的濾波效果比較明顯。

    由以上分析可以看出，由于此電路元件參數(shù)的選擇范圍較寬,因此較容易設(shè)計出滿足設(shè)計要求，且適用于工程實際的濾波器。作者已將此電路應(yīng)用到了為長沙某公司所設(shè)計的開關(guān)電源中。

    設(shè)計要求為：

    1）輸入1000V的尖峰電壓,最大產(chǎn)生20A電流；

    2）濾波器輸出電流從0～25A變化時，造成513V電壓波動不超過2％。

    據(jù)此設(shè)計要求可得到設(shè)計允許值為：

    g11=20/1000=0.02；

    g22=U/I=(513＊2％)/25=0.4。

    最終選定的參數(shù)值為：

    L1=500μH；L2=140μH；R0=0.3Ω；

    C1=470μF；C2=40μF。

    將這組參數(shù)值代入式(3)得到:

    g=5；z=0.003；

    g11=gz=0.015；g12=g21=0.003；g22=0.2。

    加入此濾波器前后開關(guān)電源輸出電壓波形如下圖7所示。

(a)    未加濾波器電源輸出波形

(b)    加入濾波器后電源輸出波形

圖7    開關(guān)電源輸出波形

3    結(jié)語

    本文應(yīng)用二端口網(wǎng)絡(luò)原理，對開關(guān)電源EMI濾波器的設(shè)計要求進行了分析總結(jié)，得出了3條設(shè)計要求，它適合于任何濾波器的設(shè)計。從該設(shè)計要求出發(fā)，可以對現(xiàn)有的開關(guān)電源EMI濾波器性能進行分析。本文給出了一個應(yīng)用該要求設(shè)計出的EMI濾波器，并用在了工程實際，運行結(jié)果表明該原理理論性與實踐性均較好，具有通用性。