基于二端口網(wǎng)絡理論的開關電源直流EMI濾波器的設計及實現(xiàn)

摘要：介紹了基于二端口網(wǎng)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

0 引言

電子技術的迅速發(fā)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(yōu)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(wěn)壓電源中，開關管工作在開關狀態(tài)，其交變電壓和電流會通過電路的元器件產(chǎn)生很強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾嚴重地污染了市電電網(wǎng)，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。

本文應用了二端口網(wǎng)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(shù)的計算方法。

1 基于二端口網(wǎng)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（以單相為例）。

圖1 開關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，進而達到預期的濾波效果。

直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡模型如圖2所示。其混合參數(shù)方程為

（1）

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。

圖2 直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡模型

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(shù)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。

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ωL>10時，顯然有g11=g12=g21=g22=0。分析系統(tǒng)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。

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(chǎn)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(jù)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(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 開關電源輸出波形

3 結語

本文應用二端口網(wǎng)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(fā)，可以對現(xiàn)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。