基于合成扼流圈的开关电源EMI滤波器设计[1]

ELECTRIC DRIVE 2008 Vo1．38 No．1 电气传 动 2008年 第 38卷 第 1期 基于合成扼流圈的开关电源 EMI滤波器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 柳春 ，朱学军 ，张逸成 ，姚勇涛 (同济大学 电气工程 系，上海 ．200331) 摘 要：为改善传统 EMI滤波器的滤波性能 ， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 并采用 了合成扼流 圈来 替代 传统分 立扼 流圈 ，并 根据滤 波器阻抗失配原理，通过分析 LISN网络与噪声源的阻抗特性，分别对共差模等效电路进行分析与设计，提出 了基于合成扼流圈的开关电源 EMI滤波器设计方法。试验结果证明，此方法是有效的，并已成功地应用在燃 料电池轿车用 DC／DC变换器的控制电路板设计中。 关键词：开关电源；电磁干扰；合成扼流圈；共模电感 中图分类号 ：TM556 文献标识 码 ：A EM I Filter Design of SM PS Based oil Integrated Choke LIU Chun，ZHU Xue-jun，ZHANG Yi—cheng，YA0 Yong—tao (Department of Electrical Engieering，Tongji University，Shanghai 20033 1，China) Abstract：In order to improve the performance of conventional EMI filter，the integrated choke was ana— lyzed and adopted to replace the conventional choke．According to the principle of filter mismatched imped— ance，with impedance analysis of LISN and noise source，the equivalent circuits of common mode and differen— tial mode were analyzed separately．Then an EMI filter design method of SMPS based on integrated choke was proposed．Experiment result proves that the method is effective ，and it has been applied successfully in the control system of DC／DC converter for fuel cell electrical vehicle． Key words：switching mode power supply(SMPS)；electromagnetic interference(EMI)；integrated choke； common mode in&actor 由于功率开关管的高速开关动作，开关电源 会产生较强的电磁干扰(EMI)信号。为了抑制开 关 电源对外电磁 噪声和外界对内电磁干扰 ，使得 产品能够满足相关 EMC标 准，有必要在 开关 电 源输入线上添加额外的 EMI滤波器。尤其对于 车用 DC／DC变换器 的控 制器来说 ，周 围电磁环 境相当恶劣 ，所 应遵循 的整车及零部件 EMC标 准也很严格 ，因此必须在控制器电源输 入线上添 加 EMI滤波器，使其满足相关 EMC 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 传统 的 EMI滤波器一般由共模 电感、差模 电 感和电容等分立元件组成 ，元件数量多 ，体积大。 分立元件较长 的引线造成的分布 电感和分布电容 对滤波特性有很大的影响。而共差模合成扼流圈 利用两个不同特性的磁芯将共模 电感和差模电感 集成在一起 ，替代分立的共模电感与差模电感 ，可 以使滤波器尺寸和性能上得到进一步的改善 ]。 1 合成扼 流 囤 1．1 传统扼流圈 共模电感本质上是一种匝数比为 1：1的变压 器，只是接入回路的方式不同。图 1为共模电感 的电路符号图与结构 图，绕组方向以及磁场强度 的方 向如 图 1所示 。 图 1 共模电感示意图 Fig．1 The com mon—m ode inductor 共模电流经过共模电感时产生的磁通互相叠 基金项目：国家科学技术部“863” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 “电动汽车”重大专项课题资助(2005AA501060) 作者简介：柳春(1982一)，男，研究生，Email：mumaol114@163．com 27 菩 L N 维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传动 2008年 第38卷 第 1期 柳春 ，等：基于合成扼流圈的开关电源EMI滤波器设计 加 ，由L一 可知共模 电感量也相应增加 。而 差模电流经过共模 电感时情况则相反，磁通互相 抵消 ，因此差模电感量很小 ，几乎为零。理论上共 模电感对于共模电流 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为高阻抗，对差模电流 表现为零阻抗 ，主要用来抑制共模噪声干扰。共 模电感通常采用干扰抑制专用的铁氧体材料作为 磁芯。 差模电感就是单个电感 ，差模 电感 中流过的 工作电流容易使磁通饱和，从而使该电感对差模 噪声电流呈现不出电感而达不到滤波效果 ，因此 差模电感的磁芯选择不易饱和的磁粉芯。 传统的扼流圈由分立的共模电感与差模电感 连接而成，因此其较长引线造成的分布电感和分 布电容对滤波特性有很大 的影响，所以本文采用 一 种新型合成扼流圈来替代分立的共模电感与差 模电感。 1．2 共差模合成扼流圈 图 2为集成了共模电感与差模电感的合成扼 流圈。这种合成扼流圈是在共模磁芯里面再增加 了一个差模磁芯，L线和 N线上共差模分别共用一 个绕组，绕组方向以及磁场强度的方向见图 2口]。 L N 图 2 合成扼流圈示意图 Fig．2 The integrated choke 图 2中实线箭头表示的 HccM和 HDcM分别为 共模 电流与差模 电流在共模磁芯内产生的磁场强 度方向，虚线箭头表示的 H。。M和 H。。M分别为共 模电流与差模电流在差模磁芯 内产生的磁场强度 方向。为使差模电感和共模电感的相互影响最 小，便于对共差模电路进行解耦分析，合成扼流圈 的上下两个绕组应互相对称 ，即在共模电感 和差 模电感上的绕组匝数相等，因此各磁通经过叠加 之后 ，HccM与 H。。M由于方 向相 同变为原来 的两 倍 ，HDcM和 H。。M则都 由于方 向相反相互抵消变 为零。差模电感对于共模电流没有作用，共模电 感对于差模电流也没有作用，共差模互相独立。 合成扼流圈对于共模电流只表现出共模电感的作 28 用 ，电感量为 L。一2L。M，对于差模 电流只表现 出 差模电感的作用，电感量为L。一2L。M。 由此可以看出，合成扼流圈优化了线圈绕组， 使得共模与差模相互独立，便于进行共差模滤波 器分开设计 ，同时减小 了 EMI滤波器的尺寸与线 圈的用量 ，也减小了器件之间连接的引线长度及 其分布电感和电容。 2 滤波器设计 设计开关电源 EMI滤波器之前，我们必须先 弄清几个基本问题。 2．1 几个基本 问题 2．1．1 噪声测量 图 3所示为典型的噪声测量结构图 ，噪声 的 测量主要通过 LISN 来实现。LISN是指线路 阻 抗稳定网络，又称人工电源网络，是传导型噪声测 量的重要工具 。 图 3 噪声测量结构图 Fig．3 The circuit of noise test 其 内部结构如图 3中虚线框 内所示 ，高频时 ， 电感相当于断路，电容短路，低频时相反，其等效 电路如图 4所示。 玉三班三 刚 三刚 三 N I．．I N L 一 图 4 LISN网络高低频等效 电路图 Fig．4 The equivalent circuhs or LISN in high and low frequency 由此可见，LISN的作用为隔离待测试的设 备 和输入电源 ，滤除由输入 电源线引入 的噪声及 干扰，并且在 5O Q电阻上提取噪声的相应信号值 送到接收机进行分析 。 2．1．2 滤波器阻抗失配原理 根据信号传输理论，滤波器输入端与电源端 维普资讯 http://www.cqvip.com 柳春，等：基于合成扼流圈的开关电源 EMI滤波器设计 电气传动 2008年 第 38卷 第 1期 的端接 、滤波器输 出端与负载端的端 接应遵循阻 抗极大不匹配原则 。因此滤波器设计时遵循以下 两个规则 ：1)源内阻是高阻(低阻)的，滤波器输入 阻抗就应该是低阻(高阻)；2)负载是高阻 (低阻) 的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻(高阻) ]。 所以 ，我们用电感与低的源阻抗或者负载阻抗 串 联，或者用 电容与一个高的源阻抗或负载阻抗 并联。 2．2 滤波器 电路结构分析 在以上几个基本 问题分析 的基础上 ，本文提 出了一种基于合成扼流圈的滤波器 电路拓扑，如 图 5所示，虚线框 内为合成扼流 圈。 一 开关 噪声源 图 5 运用合成扼流圈的滤波器结构 Fig．5 The structure of EMI filter with integrated choke 由于共模 差模产生原 因以及传播途径 的不 同，为使共差模噪声互不影响，我们取 CⅥ一CYz=== C ，使 电路处 于平衡结构 ，这样 我们就可以对共 差模 进行解耦 分析 ，并分 别进行 共差模 滤 波器 设计 。 2．2．1 共模等效电路 图 6为滤波器的共模等效电路图，由于 c 对于共模噪声不起作用 ，故将其略去 ，并且以接地 点 G为对称点将 电路对折 。根据上面合成扼 流 圈的分析可知 ，其等效共模电感量为 L ，两个 C 的等效电容值 因并 联变成原先 的两倍 ，LISN 提 供的两个 5O Q的电阻负载也并联成为 25 Q的等 效负载。这个 25 Q的等效 负载 阻抗 可以看作滤 波器的负载阻抗 ，其值相对较小 ，而通常情况下共 模噪声源阻抗 Z M一般较 大，所 以根据滤波器阻 抗失配原理，我们用电感器 L 与滤波器负载阻 抗相串连 ，用电容器与共模噪声源阻抗z M相并 一 l 『_■ 一 一 一I ， I ： Lc l z 白( lI =f= 图6 共模等效电路图 Fig．6 CM noise equivalent circuit 联，在满足 1／2 coC 《Z M和 L 》 25 Q 的条件 下，阻抗失配极大化，从而滤波器对于共模噪声的 插入损耗也尽可能大。 容易看 出此等效电路为 LC二阶低通滤波电 路，其转折频率为 1 ⋯ x／L． c 兀 。 厶L／Y 其插入损耗随着噪声频率以 40 dB／dec的斜 率增加。 2．2．2 差模等效电路 与上面共模等效 电路分析的方法相类似 ，合 成扼流圈的等效差模 电感量为 Lo，LISN提供的 两个 5O Q的电阻负载也 串连成 为 100 Q 的负载 阻抗。两个 c 的等效电容值因串联变为原来的 一 半 ，但由于差模噪声源阻抗 一般较小 ，通常 满足 2／o~C 》Z。M，因此可将 Y 电容忽略 。由此 得到简化的差模等效电路图，如图7所示。 LISN 滤波器 差模噪声源 图 7 差模 等效电路 图 Fig．7 DM noise equivalent circuit 根据滤波器阻抗失配原理，我们用电容器 c 与负载阻抗 相并联，用 电感器 Lo与差模 噪声源 阻抗 Z M相串联。在满足 L。》Z。M和 1／o~Cx《 100 Q的条件下 ，阻抗失配极大化，滤波器对于差 模噪声的插入损耗也尽可能大。与共模等效电路 一 样 ，这也是 LC二 阶低 通滤波 电路 ，其转 折频 率为 1 fRDM一———三== (2) 2兀~／LD·Cx 其插入损耗随着噪声频率也是 以 40 dB／dec的斜 率增加 。 2．3 滤波器元器件参数计算 基于以上的分析 ，我们 可以计算相应的滤波 器元器件参数 。首先根据测得的原始共模与差模 噪声，决定需要衰减的噪声频率段与衰减量，求得 共差模滤波器的转折频率 ，然后计算滤波器各个 元件的参数 。 在计算元件参数时，我们应该注意，由于滤波 器 电感 电容值越大 ，其转折频率越低 ，对噪声的抑 制效果越好，但同时成本和体积也相应增加。而 29 维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传动 2008年 第 38卷 第 1期 柳春，等：基于合成扼流圈的开关电源EMI滤波器设计 且 由材料特性可知，当电感电容值越大时，可持续 抑制噪声的频率范围也相对变窄，因此其值不可 以取得无限大。考虑到电容对于体积的影响较电 感小，而且市场上出售的电容器都有固定的电容 值，与电感值相比缺乏弹性，故在决定电感电容值 时，应优先考虑电容。 在计算共模元器件参数时，由于电容 C 受 安规限制，其值不能太大，应该选择符合安规的最 大值。选取 Cv后，利用 已经得 到的转折频率 fRCM，可以通过式(1)计算出所需共模电感量为 r一／ 、 上 I 2xfRcM J 2cY 而在计算差模元器件参数时，电感与电容值的选 择弹性较大。在决定差模 电容值 C 之后，差模 电感值可通过式(2)计算出所需差模电感量为 r 一 ／ 、 1 。 I 2 厂RDM J cx 同时滤波器元件值的选择应考虑对滤波器电路本 身造成的影响，比如稳定性等。 3 试 验 为了验证合成扼流圈的实际使用效果，我们 分别设计了应用传统扼流圈的滤波器与应用合成 扼流圈的滤波器，两者磁芯以及电感电容参数相 同，并且对两者进行了噪声衰减的比较试验，试验 结果如图 8所示 。 本文选用北京某公司功率为 12W 的 12V转 ±15 V开关 电源作 为待测试 的电源模 块。由于 此滤波器用 于车用 DC／DC变换 器控 制 电路板 上 ，因此采用整车及零部件所遵循 的 CISPR25电 源线输入端传导骚扰电压标准作为本试验的衡量 标准，扫描频率从 150kHz到 108MHz。其中，图 8a为共模噪声频谱图；图8b为差模噪声频谱图； 图 8c为合成噪声频谱图。 从 图 8可以看 出，根据本文所述 的方法设计 出来的滤波器能有效地衰减开关电源的 EMI噪 声，使其满足相关的 EMC标准。由于合成扼流 圈在一定程度上消除了传统扼流圈由于分立共差 模电感间存在较长 的引线所造成的分布参数对于 滤波性能的影响，并且优化了线圈绕组，因此使其 与传统扼流圈相比，在滤波性能上有了进一步提 升。由图 8可见，其插入损耗在某些频率段提高 了3～5 dB，且经其衰减之后 的噪声相对 比较 平滑 。 3O 盖 蓦 茬 鏊 萤 盖 量 。 ／原始共模噪声 山I_IIlJ_Ill■ 汕_- __lIIIIIl ． ■ 一 ．．． ． ，绛讨倍统浊涟器之后的婪撵蜒 - ＼ 经过由合成扼流圈构成的 ： ． ． 波棼之 的共謦噪 。 ． ． 1O 20 3O 40 50 60 70 80 9o 100 f／Mm (a】共模噪声频谱图 l0 20 30 40 5O 60 70 8O 9O 100 f／Mm (b)差模噪声频谱图 {／MHz (c)合成噪声频谱图 图 8 实验波形 比较 图 Fig．8 The noise spectrum test results 4 结束语 经分析与试验，本文提出的基于合成扼流圈 的开关 电源 EMI滤波器设计方法是正确的，能有 效地改善滤波性能。 基于合成扼流圈的开关电源 EMI滤波器设 计方法 已成功地应用在燃料 电池轿车用 DC／DC 变换器的控制电路板设计中，该方法亦可用于其 它类似的产品设计 中。 参考文献 1 ~ on／Yla P，Tarateeraseth V，Khan—ngem W．A New Techrdque of Integrated EMI Inductor Using Optimizing Inductor—volume Approach[C]．IPEC-Niigata，2005 2 钱照明，程肇基．电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M]．杭 州 ：浙江大学出版社 ，2002 3 Sheng Ye，Wilson Eberle，Yanfei Liu．A Novel EMI Filter Design Method for Switching Power Supplies[C]．IEEE TRAN s．0N P0WER ELECTRONICS，2004，19(6)：1 668一 】678 孺百 丽 丽 修改稿 日期：2007-07—23 维普资讯 http://www.cqvip.com