無(wú)源濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用分析

吳重重

摘 要：在電氣開(kāi)關(guān)電源中，傳導(dǎo)性電源干擾是一種主要干擾源，因此在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)應(yīng)該考慮電磁兼容性指標(biāo)。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到電磁干擾問(wèn)題，并采取適當(dāng)?shù)臑V波措施。本文在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用了無(wú)源濾波器技術(shù)，有利于消除電源高頻段的電磁干擾。本文對(duì)開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)性電磁干擾進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)無(wú)源濾波器及其元件特性進(jìn)行了分析，探討了無(wú)源濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的具體應(yīng)用，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；無(wú)源濾波器；傳導(dǎo)性電磁干擾

中圖分類號(hào)： TN713.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）24-223-2

0 引言

現(xiàn)在電子設(shè)備中越來(lái)越多的應(yīng)用到了開(kāi)關(guān)電源，其具有效率高、自重輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，但是在應(yīng)用的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電源的高頻化容易帶來(lái)噪聲，而且在傳導(dǎo)和輻射的作用下，開(kāi)關(guān)電源的高頻化還會(huì)對(duì)周圍的電磁環(huán)境造成污染，不利于周圍其他電子設(shè)備的運(yùn)行。因此，在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮設(shè)備間的電磁兼容問(wèn)題，電源產(chǎn)品的電磁兼容已經(jīng)成為了該產(chǎn)品的重要性能參數(shù)。

1 開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)性電磁干擾

可以將開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)性干擾分為兩個(gè)類別，分別為共模干擾、差模干擾，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷和開(kāi)通期間產(chǎn)生的干擾為共模干擾，其是一種非對(duì)稱性噪聲，疊加在電源的正負(fù)之間。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷與開(kāi)通期間還會(huì)產(chǎn)生差模干擾，差模干擾是對(duì)稱性噪聲，疊加在電源的正負(fù)之間。為了使開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾得到有效遏制，當(dāng)前使用的主要方法是噪聲源平衡技術(shù)、調(diào)頻——非恒頻的PWM技術(shù)等。通過(guò)具有互異性能的無(wú)源濾波器，能夠?qū)﹄娫磦魅腴_(kāi)關(guān)電源的干擾進(jìn)行有效抑制，同時(shí)也能夠?qū)﹂_(kāi)關(guān)電源反向傳輸電源的干擾進(jìn)行有效抑制，因此將濾波器加入電源的輸入端是一種對(duì)傳導(dǎo)性干擾進(jìn)行抑制的有效方法[1]。

圖1為傳導(dǎo)性干擾模型，反映了典型的反激式開(kāi)關(guān)的傳導(dǎo)性干擾問(wèn)題。圖1中的VT為開(kāi)關(guān)管，在關(guān)斷和開(kāi)通開(kāi)關(guān)管的過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生id（差模干擾電流），差模干擾電流會(huì)從輸入電源Vs中流過(guò)，并且受到電源內(nèi)阻Zs的阻礙，產(chǎn)生傳導(dǎo)性差模干擾電壓，主要作用于電源的兩端，用ud表示。屏蔽地和散熱器是直接連接的，屏蔽體與鐵氧體通常也是連接的，鐵氧體和變壓器之間的分布電容、散熱器和開(kāi)關(guān)管底板之間的分布電容與屏蔽地之間的分布電容Cb和A點(diǎn)有關(guān)。A點(diǎn)對(duì)地之間的電壓差會(huì)隨著VT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化而變化，該電壓差用uA表示，在uA變化的過(guò)程中，Cb上會(huì)出現(xiàn)位移電流，用ic1和ic2表示。位移電流會(huì)通過(guò)負(fù)端電源線和正端電源線，然后受到負(fù)端接地電阻和正端接地電阻的影響，從而產(chǎn)生共模傳導(dǎo)性干擾電壓，用u1和u2表示。為了使id、ic1、ic2的影響減小，就必須使開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)性電磁干擾減小[2]。

id可以通過(guò)Cd2、Cd1、Ld獲得低阻抗通路，從而使id中流過(guò)的電源減小，達(dá)到使ud減小的目的。降低共模干擾電路圖中，降低共模干擾主要是通過(guò)虛線框內(nèi)的Cc2、Cc1、Lc2、Lc1組成的電路來(lái)完成的。共模電流的低阻抗通路主要是通過(guò)Cc2、Cc1提供的，達(dá)到了使u1、u2減少的目的。共模回路是屏蔽地和電源線共同構(gòu)成的，通過(guò)Lc2、Lc1能夠使回路的阻抗增大，此時(shí)的共模電感Lc2、Lc1流過(guò)ic1時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)方向相反、大小相等的電動(dòng)勢(shì)，兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)的相互抵銷，會(huì)有效地減小共模電流ic1。與此同時(shí)還要對(duì)結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，這樣能夠使Cb進(jìn)一步減小，從而使ic2得到減小[3]。

2 無(wú)源濾波器

2.1 無(wú)源濾波器的結(jié)構(gòu)和原理

無(wú)源濾波器是一種無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，其包括電子元件、電容和電感，其目的在于對(duì)線路中干擾信號(hào)的傳播進(jìn)行抑制和衰減。作為一種低通元件，電源線濾波器隸屬于無(wú)源濾波器，不同的電源線無(wú)源濾波器能夠抑制不同的頻率。

在電源開(kāi)關(guān)中，電磁干擾主要是通過(guò)電源線來(lái)傳出和傳入設(shè)備的，為了避免電磁干擾在設(shè)備中的傳出和傳入，應(yīng)該將無(wú)源濾波器安裝在設(shè)備電源接口處。只有電源頻率才能通過(guò)無(wú)源濾波器，而電磁干擾的頻率高于電源頻率，這樣就可以很大程度地衰減和抑制電磁干擾。

傳導(dǎo)發(fā)生問(wèn)題可以通過(guò)無(wú)源濾波器來(lái)解決，但是在原線上的傳導(dǎo)發(fā)射還會(huì)對(duì)導(dǎo)線的輻射發(fā)射造成影響，所以為了減小設(shè)備的輻射發(fā)射，也可以使用無(wú)源濾波器。圖2為無(wú)源濾波器原理結(jié)構(gòu)圖，在零線和火線之間跨接差模濾波電容（CX），對(duì)于差模電流而言，差模濾波電容能夠起到旁路的作用，此時(shí)取0.1-1LF為電容值。在機(jī)殼地與零線或火線之間跨接共模濾波電容（CY），對(duì)于共模電流而言，共模濾波電容能夠起到旁路的作用。此時(shí)要注意對(duì)共模濾波電容的電容值進(jìn)行控制，一般情況下不超過(guò)10000pF，這是由于相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)漏電電流具有一定的限制。

一般濾波器中往往只安裝共模扼流圈，其作用在于通過(guò)漏電感來(lái)產(chǎn)生一定的差模電感，從而抑制差模電流。如有需要涉及時(shí)還可以對(duì)共模扼流圈的漏電量進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦黾樱瑥亩共钅ｋ姼辛刻岣?。?yīng)該根據(jù)所需濾除的干擾頻率來(lái)確定共模扼流圈的電感量，干擾頻率越高，所需的電感量越小，共模扼流圈的電感量最小為1mH，最大能夠達(dá)到幾十mH。要對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路產(chǎn)生的低頻，高強(qiáng)度干擾問(wèn)題進(jìn)行解決，就應(yīng)該提供大于CX差模衰減的衰減，這就需要使用到差模扼流圈。

2.2 無(wú)源濾波器的器件選擇

2.2.1選擇無(wú)源濾波器的電容器

電容器的頻率范圍會(huì)受到其材料的影響，應(yīng)該盡量選擇頻率高、特性好的電容器。當(dāng)前常見(jiàn)的電容類型主要有鋁電解電容、電解電容、紙介電容、聚酯樹(shù)脂電容、高介陶瓷（獨(dú)石）電容、云母低損陶瓷玻璃電容、聚苯乙烯聚丙乙烯電容。其中鋁電解電容和電解電容屬于低頻電容，紙介電容、聚酯樹(shù)脂電容、高介陶瓷（獨(dú)石）電容為中頻電容，高介陶瓷（獨(dú)石）電容介于中頻和高頻之間，云母低損陶瓷玻璃電容、聚苯乙烯聚丙乙烯電容屬于高頻電容。

除此之外，還應(yīng)該選用殘余電容小的電容，這是由于插入損耗會(huì)隨著跨接電容CX的增大而增大，因此在對(duì)差模噪聲進(jìn)行濾除時(shí)，還要同時(shí)濾除通路中旁路電容的高頻噪聲。此時(shí)應(yīng)該注意到電容引線對(duì)濾波效果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，電容器的頻率和容抗成反比關(guān)系，因此應(yīng)該在地線和信號(hào)線直接并聯(lián)電容，從而對(duì)高頻噪聲進(jìn)行旁路。

C和等效電感等效電感（ESL）共同組成了電容的諧振頻率，電感值或電容值的增大會(huì)降低諧振頻率，從而降低電容的高頻濾波效果。因此電容的引線長(zhǎng)度是電容器的重要參數(shù)，引線的長(zhǎng)度與電感成正比，加長(zhǎng)電容引線有利于降低電容的諧振頻率，因此應(yīng)該盡量選用以前較短的電容器。有兩種基本的方法可以使電容器對(duì)高頻干擾旁路的效果得到提高，一種方法是在電容安裝時(shí)盡量縮短電容的引線，電容引線的長(zhǎng)度也包括線路板上等效到電容引線的軌線長(zhǎng)度。另一種方法是選擇合適的電容種類，盡量使用具有較小電感的電容。

當(dāng)前用最廣泛的電容器是陶瓷電容器，這種電容器比較適合射頻濾波，盡管陶瓷電容器的獨(dú)石電容并非專業(yè)干擾濾波器件，但是陶瓷電容器的一個(gè)重要特性就是有較好的高頻特性，而且沒(méi)有引線。

2.2.2選擇電磁干擾抑制鐵氧體

在開(kāi)關(guān)電源，電磁兼容性設(shè)計(jì)中一般選擇軟磁材料作為磁性材料，要求軟磁材料必須具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、電阻率和磁導(dǎo)率，具有狹窄的磁滯回線和較小的矯頑力。一般情況下在鐵氧體上繞制共模扼流圈，從而獲得較大的電感量，并且排除了磁心飽和的風(fēng)險(xiǎn)。在鐵粉磁芯上繞制差模扼流圈，其具有較低的磁導(dǎo)率，但是不易出現(xiàn)飽和。還有一些情況下，為了避免磁心飽和，要在磁路開(kāi)放的磁心上繞制差模扼流圈，這樣可以使磁芯中的磁通密度減小，盡量避免磁心飽和的現(xiàn)象。作為高效的磁場(chǎng)接收器件，電感會(huì)收集周圍的干擾，形成新的干擾，因此必須采取相應(yīng)的屏蔽措施。共模濾波是最常用的電磁兼容，這是由于大部分電磁干擾都是從空間向線纜上耦合的。但是共模濾波會(huì)形成共模電壓干擾電壓，必須對(duì)干擾電壓低頻噪聲進(jìn)行濾除，對(duì)于低頻段傳導(dǎo)干擾的抑制作用會(huì)隨著電感值的增大而增大。

2.3 無(wú)源濾波器的電路設(shè)置

本文將反激式開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)干擾模型中的開(kāi)關(guān)源等效作為一個(gè)負(fù)載RL，把開(kāi)關(guān)電源輸入端等，正負(fù)端接地電阻并入RS，電源輸入端加入的無(wú)源濾波器原理圖，電源輸入端加入的濾波器開(kāi)關(guān)電源電路圖。對(duì)差模噪聲的抑制主要通過(guò)Cd、Ld來(lái)完成，選擇具有良好的M-F特性以及不容易飽和的鐵芯材料來(lái)作為L(zhǎng)d的鐵芯。使用聚酯薄膜電容或陶瓷電容心作為Cd，保障其具有一定的耐壓值。共模噪聲的抑制主要通過(guò)Cc和Lc來(lái)完成，可以以實(shí)際噪聲源的特征為依據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3 無(wú)源濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的具體應(yīng)用

在軌道交通的空調(diào)開(kāi)關(guān)電源電路中，可以用無(wú)源濾波器，并取得較好的應(yīng)用效果，對(duì)軌道交通空調(diào)開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾進(jìn)行有效地濾除，具體應(yīng)用方式如下。

在車用牽引逆變器的IPM驅(qū)動(dòng)電源電路中應(yīng)用無(wú)源濾波器，將單端反激式電流控制型的UC2843驅(qū)動(dòng)芯片安裝于IPM驅(qū)動(dòng)電源電路之中，并使用斷續(xù)式的電流工作模式，具有良好的過(guò)流保護(hù)功能和輸出穩(wěn)壓。

將無(wú)源濾波器加入開(kāi)關(guān)電源的輸入端，本文選擇的無(wú)源濾波器的參數(shù)為Cc：0.047μF，Lc：10mH、Cd： 0.1μF、Ld：0.1 mH。，將輸出端濾波器放置在次級(jí)電源中，能夠?qū)敵龆说牟钅８蓴_進(jìn)行有效抑制，其中Cd2： 1μF、Lc2：0.1 mH。

6.13μs為干擾信號(hào)的周期，與之相對(duì)應(yīng)的IPM開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)該是16.3kHz，濾波器輸入端的電壓用Vin表示，其波形為曲線W1，干擾電壓的幅值約為2V。濾波器輸出端的電壓用Vo表示，其波形為曲線W2，此時(shí)干擾信號(hào)的幅值為0.2V左右。由于無(wú)源濾波器具有雙向性的特點(diǎn)，能夠?qū)PM開(kāi)關(guān)反饋的干擾信號(hào)和輸入電源的干擾信號(hào)進(jìn)行同時(shí)濾出，因此開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾能夠得到有效地抑制和削減，具有良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而開(kāi)關(guān)電源高頻化帶來(lái)的大量噪聲，也對(duì)開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用造成了不利的影響。當(dāng)前各國(guó)都對(duì)電器產(chǎn)品的電磁兼容提出了一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，將電源產(chǎn)品的電磁兼容指標(biāo)作為其重要的性能參數(shù)。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)性電磁干擾機(jī)理進(jìn)行分析，本文認(rèn)為要減少開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾，可以使用無(wú)源濾波技術(shù)，可以使用無(wú)源濾波技術(shù)元件特性，通過(guò)選擇合適的元件能夠提高無(wú)源濾波器的應(yīng)用效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 汪力，程劍兵，王顯強(qiáng)，張伏生.基于多目標(biāo)粒子群算法的無(wú)源電力濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011（08）.

[2] 褚元好，孫文棟，康錦鶴，高軍偉，姜志彬.開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2013（14）.

[3] 錢麗英.開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)[J].硅谷，2011（23）.