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开关滤波器电路板原理与设计
- 2019-11-25-

      在开关电源中,EMI滤波器对共模和差模传导噪声的抑制起着显著的作用。在研究滤波器原理的基础上,探讨了一种对共模、差模信号进行独立分析,分别建模的方法,其后基于此提出了一种EMI滤波器的设计程序。关键词:开关电源;EMI滤波器;共模;差模引言高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点,已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合,整流电路往往导致输入电流的断续,这除了大大降低输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。

      同时开关电源中功率开关管的高速开关动作(从几十kHz到数MHz),形成了EMI(electromagnetic interference)骚扰源。从已发表的开关电源论文可知,在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰,传导干扰还会注入电网,干扰接入电网的其他设备。减少传导干扰的方法有很多,诸如合理铺设地线,采取星型铺地,避免环形地线,尽可能减少公共阻抗;设计合理的缓冲电路;减少电路杂散电容等。除此之外,可以利用EMI滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。EMI骚扰通常难以精确描述,滤波器的设计通常是通过反复迭代,计算制作以求逐步逼近设计要求。本文从EMI滤波原理入手,分别通过对其共模和差模噪声模型的分析,给出实际工作中设计滤波器的方法,并分步骤给出设计实例。

      1 EMI滤波器设计原理在开关电源中,主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt,因而电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带的噪声信号,其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以,传导型电磁环境(EME)的测量,正如很多国际标准所规定,频率范围在0.15~30MHz。设计EMI滤波器,就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准,通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。

      简言之,EMI滤波器设计可以理解为要满足以下要求:1)规定要求的阻带频率和阻带衰减;(满足某一特定频率fstop有需要Hstop的衰减);2)对电网频率低衰减(满足规定的通带频率和通带低衰减);3)低成本。1.1常用低通滤波器模型EMI滤波器通常置于开关电源与电网相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器。如图1所示,噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标(fstop和Hstop)可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现,滤波器传递函数的计算通常在高频下近似,也就是说对于n阶滤波器,忽略所有ωk相关项。

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