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(jì)及實(shí)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(jì)的一般原理和方法。該原理適合于任何濾波器的設(shè)計(jì)，在實(shí)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(diǎn)的開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、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(qiáng)的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾嚴(yán)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(shí)，由于這一缺點(diǎn)，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(jì)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(jìn)行了分析，給出了直流EMI濾波器設(shè)計(jì)的一般方法及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。

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

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(jìn)而達(dá)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(jì)必須滿足以下幾項(xiàng)要求：

1）要保證濾波器在濾波的同時(shí)，不影響電源的帶負(fù)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(shí)，反向電流增益g12和正向電壓增益g21設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)的一般方法及濾波效果的評判標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)例分析

LC濾波器和四階直流線路濾波器是工程實(shí)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(shí)，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(shí)際應(yīng)用帶來了局限性，這也正是LC濾波器的缺點(diǎn)。

在工程實(shí)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(jì)出滿足設(shè)計(jì)要求，且適用于工程實(shí)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(jì)的開關(guān)電源中。

設(shè)計(jì)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(shí)，造成513V電壓波動不超過2％。

據(jù)此設(shè)計(jì)要求可得到設(shè)計(jì)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(jì)要求進(jìn)行了分析總結(jié)，得出了3條設(shè)計(jì)要求，它適合于任何濾波器的設(shè)計(jì)。從該設(shè)計(jì)要求出發(fā)，可以對現(xiàn)有的開關(guān)電源EMI濾波器性能進(jìn)行分析。本文給出了一個(gè)應(yīng)用該要求設(shè)計(jì)出的EMI濾波器，并用在了工程實(shí)際，運(yùn)行結(jié)果表明該原理理論性與實(shí)踐性均較好，具有通用性。