開關電源直流EMI濾波器的設計及實現

摘要：介紹了基于二端口網絡理論的開關電源直流EMI濾波器設計的一般原理和方法。該原理適合于任何濾波器的設計，在實際應用中取得了良好的濾波效果。

關鍵詞：EMI濾波器；輸入導納；輸出阻抗

引言

電子技術的迅速發展，對電子儀器和設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。這使得具有眾多優點的開關電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面得到了日益廣泛的應用。但是，在開關穩壓電源中，開關管工作在開關狀態，其交變電壓和電流會通過電路的元器件產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，影響了鄰近電子儀器及設備的正常工作；同時，由于這一缺點，使得開關電源無法應用于一些精密的電子儀器中，因此，盡量降低開關電源的電磁干擾，提高其使用范圍，是從事開關電源設計必須考慮的問題[1]。

本文應用了二端口網絡的原理，對開關電源中直流EMI濾波器進行了分析，給出了直流EMI濾波器設計的一般方法及相關參數的計算方法。

1 基于二端口網絡直流EMI濾波器的設計

目前廣泛使用的開關電源，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[2]（以單相為例）。

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，進而達到預期的濾波效果。

直流EMI濾波器雙端口網絡模型如圖2所示。其混合參數方程為

式中：g11為輸入導納；

g22為輸出阻抗；

g12為反向電流增益；

g21為正向電壓增益。

由式（1）可以等效出如圖3所示的原理圖。

直流EMI濾波器設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。

結合混合參數方程及等效原理圖,由要求1）知，濾波器的輸入導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設計值要盡量為1，而輸入導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。

以上的分析結論就是直流EMI濾波器設計的一般方法及濾波效果的評判標準。

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,下面就以上面的結論分析其濾波效果。圖4為LC濾波器原理圖。

其混合參數方程為

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

對于諧波分量，

考慮到當ωL>10時，顯然有g11=g12=g21=g22=0。分析系統的輸入導納和輸出阻抗，要保證輸入導納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用的四階直流線路濾波器其原理圖如圖5所示。

其混合參數方程為

如果令z=1/L1sg，則可以求得相應的參數如下：

g11=gz；g12=g21=z；g22=－L1sz。

下面分析此濾波器電壓傳遞函數的幅頻特性，濾波器的電壓傳遞函數為

將參數g代入，應用MATLAB做出其對數幅頻特性曲線如圖6所示。

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的選擇范圍較寬,因此較容易設計出滿足設計要求，且適用于工程實際的濾波器。作者已將此電路應用到了為長沙某公司所設計的開關電源中。

設計要求為：

1）輸入1000V的尖峰電壓,最大產生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％。

據此設計要求可得到設計允許值為：

g11=20/1000=0.02；

g22=U/I=(513＊2％)/25=0.4。

最終選定的參數值為：

L1=500μH；L2=140μH；R0=0.3Ω；

C1=470μF；C2=40μF。

將這組參數值代入式(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電源輸出電壓波形如下圖7所示。

3 結語

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