開關(guān)電源有源共模EMI濾波器研究及其應(yīng)用

1 引言

　　傳統(tǒng)的開關(guān)電源大多使用由分立的共模電感、差模電感和X，Y電容等構(gòu)成單級(jí)或多級(jí)的無源濾波器，這些濾波器無一例外地均應(yīng)用了較多的無源元件，如濾波電感和電容。而且由于國際上對(duì)電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，許多時(shí)候一級(jí)濾波器不能滿足電磁兼容的要求，而必須使用兩級(jí)或者多級(jí)，這就增大了無源濾波器的體積，從而也增大了損耗。此外，由于無源組件的分布電容和引線電感等分布參數(shù)（如差、共模電感的繞組分布電容和濾波電容的串聯(lián)等效電感等）對(duì)濾波效果影響都很大，特別是在高頻區(qū)域段，這些分布參數(shù)的影響會(huì)更加嚴(yán)重，且難以控制，從而大大衰減了高頻濾波特性。作為共模和差模濾波電感的主要元件——磁芯，其電磁參數(shù)具有頻變特性，并且磁芯本身的性能也受到工藝水平及制作材料的限制，這給它的應(yīng)用帶來了諸多限制。因此，如何在提高開關(guān)電源的功率密度和開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源模塊化和集成化的同時(shí)，解決由此引起的更加嚴(yán)重的電磁干擾則是電力電子技術(shù)研發(fā)人員面臨的關(guān)鍵問題。

　　總體看，傳統(tǒng)的無源EMI濾波器存在下述不足：①體積大，造價(jià)高，因此不能滿足開關(guān)電源日益小型化、高密度化的需要；②無源濾波器的衰減頻帶較窄，在低頻段要靠增大電感和電容值來提高其插入損耗，而在高頻段由于分布參數(shù)的影響有可能引起不必要的振蕩而影響到濾波特性；③當(dāng)今要求開關(guān)電源成為體積小，重量輕，效率高，可靠性高，功率密度高的“綠色電源”，但由于作為開關(guān)電源重要組成部分的濾波器，體積的減小是有限度的，因此制約了開關(guān)電源的發(fā)展。

　　無源濾波器的上述缺點(diǎn)注定它在電磁污染日益嚴(yán)重的今天不能滿足濾波技術(shù)的需要。而有源EMI濾波器，采用了有源消去技術(shù)，很好地抑制了EMI噪聲電流，并可對(duì)它進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和調(diào)整，且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利影響；此外，與無源濾波器相比，由于有源EMI濾波器采用了半導(dǎo)體器件和電子電路，因而可使體積變小，重量變輕，這有利于集成封裝，所以已成為業(yè)界對(duì)其進(jìn)行研究的一種新趨勢(shì)和發(fā)展方向[1-4]。

2開關(guān)電源有源共模EMI濾波器

　　2.1有源共模EMI濾波器基本原理

　　有源EMI濾波技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。這里提出的有源共模EMI濾波器（Active Common-mode Filter，簡稱ACMF）基本原理是先采樣共模信號(hào)，然后通過反饋，動(dòng)態(tài)輸出一個(gè)與所采樣的噪聲電流（電壓）大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流（電壓），其實(shí)質(zhì)是為共模電流提供一個(gè)極低阻抗的內(nèi)部回路。圖1示出其原理圖。其中，Path1指共模噪聲源S1通過分布電容CD流入地的共模電流路徑，在無濾波器時(shí)共模噪聲inoise將通過CP全部注入地。ACMF將產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流，為inoise提供低阻抗分流支路Path2，從而使其盡量沿Path2路徑流過。理想時(shí)icomp=-inoise，可使流入地的共模電流為零，從而達(dá)到衰減共模電流的目的，以滿足電磁干擾的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 ACMF設(shè)計(jì)

分析了傳統(tǒng)無源電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMl）濾波器的缺點(diǎn)，提出有源共模濾波器的設(shè)計(jì)思想，并分析了其工作原理。以一臺(tái)反激式開關(guān)電源為對(duì)象，研究上述開關(guān)電源ACMF的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。圖2a示出ACMF在開關(guān)電源系統(tǒng)中的連接。圖中，用虛線連接于反激式電源變壓器初次級(jí)地之間的共模濾波電容Cy具有較好濾波效果，但因受漏電流安規(guī)要求的限制，其值不能太大。在此擬用提出的ACMF取代Cy，以增強(qiáng)對(duì)共模干擾的濾波效果。圖2b示出ACMF的具體電路。它由一個(gè)寬帶高速運(yùn)算放大器U為核心的器件構(gòu)成。

　　由于ACMF網(wǎng)絡(luò)處理共模干擾信號(hào)的特殊性，所以對(duì)電路中一些元器件的選擇也存在一些特殊要求。ACMF電路中關(guān)鍵元器件的選取和設(shè)計(jì)如下：

　?。?）運(yùn)算放大器U的選擇因?yàn)楣材８蓴_的頻譜范圍較寬，所以要求處理它的運(yùn)算放大器的頻帶寬，響應(yīng)速度快，對(duì)輸入電壓中的共模電壓有較高的抑制，并能輸出較大的電流。這里選擇單位增益可達(dá) 200MHz，輸出電流為l00mA的高速電壓反饋式運(yùn)放LM7171，它的工作電壓較寬，為5.5-36V。通常情況下，開關(guān)電源的高頻變壓器都會(huì)有一個(gè)輔助繞組給PWM/PFM控制芯片提供電源，這樣運(yùn)算放大器的工作電壓可直接從該輔助繞組經(jīng)整流后獲得，如圖2a中的#1，接至繞組后，就在#1與#2之間很方便地給運(yùn)算放大器提供工作電源。

　　（2）負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定由于ACMF網(wǎng)絡(luò)采用電壓檢測(cè)、電流補(bǔ)償，可寫出ACMF的增益Aiv為：
設(shè)#2，#3之間的阻抗為Z，則：
為便于分析，設(shè)

則Z可進(jìn)一步表示為：

　　若能使Z=0，則UAB=0，從而實(shí)現(xiàn)了圖2中反激式電路初次級(jí)地A、B兩點(diǎn)間理論上的短路，此時(shí)為最理想的情況。由式（3）可知，要實(shí)現(xiàn)理想情況，就要求反饋網(wǎng)絡(luò)的增益盡可能大，增益越大，Z越小，補(bǔ)償效果越好；但同時(shí)在實(shí)際運(yùn)用中，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性出發(fā)，為避免振蕩，特別是高頻情況下的環(huán)路增益不可能太大，所以往往是在穩(wěn)定性和增益間折衷選擇。試驗(yàn)中，反饋網(wǎng)絡(luò)取Rf=470kΩ， R4=10Ω。

（3）電容的選擇輸出耦合電容C6把輸出電壓耦合到電路中，同時(shí)也起到ACMF與主電路間的隔離作用。這里，C6選取高頻特性好的高頻電容。

　　在ACMF網(wǎng)絡(luò)中，由于運(yùn)算放大器工作時(shí)反相端與同相端之間的“虛短”，C4和變壓器初次級(jí)之間的耦合電容Cps串聯(lián)，故可通過C4采樣到共模電壓，并輸入至運(yùn)算放大器的反相端，再經(jīng)過由Rf,R4,C4組成的運(yùn)算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)以及C6和R5，，即可輸出一個(gè)反方向的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流，從而使共模電流在 ACMF網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部循環(huán)，這大大減少了流入地的共模電流，達(dá)到了衰減，甚至消去共模電流的目的。

　　由于ACMF跨接在變壓器的初次級(jí)之間，且它代替的Cy一端需接地，故設(shè)計(jì)的ACMF電路必須滿足變壓器初次級(jí)隔離要求及對(duì)地漏電流的安規(guī)要求。

　　上述兩點(diǎn)在電路設(shè)計(jì)中可通過下述措施予以保證。

　?。?）電源不工作時(shí)的打耐壓試驗(yàn)。此時(shí)，有源濾波器不起作用，對(duì)其進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，高壓高頻電容C6串聯(lián)在高壓脈沖電路中，所以不影響對(duì)變壓器打耐壓的要求；實(shí)驗(yàn)電路中C4～C6均取為560pF值，且耐壓滿足安規(guī)要求的安規(guī)電容。

　?。?）圖2a中#2與#3間的阻抗Z表達(dá)式見式（3）。

　　由式（3）可作出圖3所示的交流阻抗Z的頻率特性曲線。為便于比較，圖中給出了#2與#3之間只跨接Cy=560pF時(shí)的阻抗Z2。表1示出Z和Z2在部分頻率下的阻抗值。由圖3和表1可見，在400Hz以下及工頻的低頻段，ACMF并未顯著降低阻抗；在150kHz以上的高頻段，ACMF表現(xiàn)出很低的阻抗，所以ACMF在給高頻共模干擾提供極低阻抗通路的同時(shí)，不會(huì)增大開關(guān)電源對(duì)地的工頻漏電流。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　現(xiàn)以一臺(tái)輸出功率為60W（19.5V/3.5A），開關(guān)工作頻率為58kHz的反激開關(guān)電源為例進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的ACMF電路對(duì)共模干擾的抑制效果。實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)未加任何無源共模濾波器，只加了由0.47μF，0.22μF兩個(gè)差模電容和一個(gè)12.74μH差模電感構(gòu)成的差模濾波器，以濾除差模噪聲，突出觀察設(shè)計(jì)的ACMF對(duì)共模噪聲的濾波效果。由圖2及共模噪聲傳播信道可知，A和B兩點(diǎn)間的電壓實(shí)際上就是LISN共模噪聲采樣電阻兩端的電壓，因此可先用示波器測(cè)量這兩點(diǎn)間電壓的變化來判斷ACMF對(duì)共模噪聲的衰減作用。圖4a 示出采用示波器測(cè)得實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在采用ACMF或和不采用ACMF，但Cy=560pF時(shí)A，B兩點(diǎn)間的電壓uAB實(shí)驗(yàn)波形?？梢?，使用ACMF后，uAB大大減小。這表明設(shè)計(jì)的ACMF對(duì)共模噪聲有明顯的抑制作用。

　　進(jìn)一步采用ER55C型EMI接收機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的有源EMI濾波器做傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。圖5示出由接收機(jī)測(cè)量得到的開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的共模噪聲?？梢?，傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的ACMF有效地抑制了共模噪聲。
3 結(jié)論
　?。?）由于有源EMI濾波器采用了半導(dǎo)體器件，使其在體積、重量和損耗方面，都比傳統(tǒng)的無源濾波器有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　?。?）仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出并設(shè)計(jì)的有源 EMI濾波器工作穩(wěn)定，在規(guī)定的傳導(dǎo)干擾頻率范圍內(nèi)獲得了良好的濾波效果。十分符合開關(guān)電源集成化和高密度化的需要。