共模電感濾波器設(shè)計(jì)

1、基于合成扼流圈的開(kāi)關(guān)電源EM I 濾波器設(shè)計(jì)柳春 , 朱學(xué)軍 , 張逸成 , 姚勇濤 (同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系 , 上海 200331 摘要 :為改善傳統(tǒng) EMI 濾波器的濾波性能 , 分析并采用了合成扼流圈來(lái)替代傳統(tǒng)分立扼流圈 , 并根據(jù)濾 波器阻抗失配原理 , 通過(guò)分析 L ISN 網(wǎng)絡(luò)與噪聲源的阻抗特性 , , 提出 了基于合成扼流圈的開(kāi)關(guān)電源 EMI 濾波器設(shè)計(jì)方法 。 , 料電池轎車(chē)用 DC/DC 變換器的控制電路板設(shè)計(jì)中 。關(guān)鍵詞 :開(kāi)關(guān)電源 ; 電磁干擾 ; ; 中圖分類(lèi)號(hào) :SMPS B ased on Integrated ChokeL IU Chun ,ZHU Xue jun

2、 ,ZHAN G Y i cheng , YAO Y ong tao(De partment of Elect rical Engieering , Tong j i Universit y , S hanghai 200331, China Abstract :In order to improve the performance of conventional EMI filter , the integrated choke was ana 2lyzed and adopted to replace the conventional choke. According to the pri

3、nciple of filter mismatched imped 2ance , with impedance analysis of L ISN and noise source , the equivalent circuits of common mode and differen 2tial mode were analyzed separately. Then an EMI filter design method of SMPS based on integrated choke was proposed. Experiment result proves that the me

4、thod is effective , and it has been applied successfully in the control system of DC/DC converter for f uel cell electrical vehicle.K ey w ords :switching mode power supply (SMPS ;electromagnetic interference (EMI ;integrated choke ; common mode inductor 基金項(xiàng)目 :國(guó)家科學(xué)技術(shù)部 “ 863” 計(jì)劃 “ 電動(dòng)汽車(chē)” 重大專(zhuān)項(xiàng)課題資助 (200

5、5AA501060 作者簡(jiǎn)介 :柳春 (1982- , 男 , 研究生 ,Email :mumao1114163. com 由于功率開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作 , 開(kāi)關(guān)電源 會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾 (EM I 信號(hào) 。 為了抑制開(kāi) 關(guān)電源對(duì)外電磁噪聲和外界對(duì)內(nèi)電磁干擾 , 使得 產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足相關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn) , 有必要在開(kāi)關(guān)電 源輸入線(xiàn)上添加額外的 EM I 濾波器 。尤其對(duì)于 車(chē)用 DC/DC 變換器的控制器來(lái)說(shuō) , 周?chē)姶怒h(huán) 境相當(dāng)惡劣 , 所應(yīng)遵循的整車(chē)及零部件 EMC 標(biāo) 準(zhǔn)也很?chē)?yán)格 , 因此必須在控制器電源輸入線(xiàn)上添 加 EM I 濾波器 , 使其滿(mǎn)足相關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn) 。傳統(tǒng)的 EM

6、I 濾波器一般由共模電感 、 差模電 感和電容等分立元件組成 , 元件數(shù)量多 , 體積大 。 分立元件較長(zhǎng)的引線(xiàn)造成的分布電感和分布電容 對(duì)濾波特性有很大的影響 。 而共差模合成扼流圈 利用兩個(gè)不同特性的磁芯將共模電感和差模電感 集成在一起 , 替代分立的共模電感與差模電感 , 可 以使濾波器尺寸和性能上得到進(jìn)一步的改善 1。1 合成扼流圈1. 1 傳統(tǒng)扼流圈共模電感本質(zhì)上是一種匝數(shù)比為 1 1的變壓 器 , 只是接入回路的方式不同 。圖 1為共模電感 的電路符號(hào)圖與結(jié)構(gòu)圖 , 繞組方向以及磁場(chǎng)強(qiáng)度 的方向如圖 1所示。圖 1 共模電感示意圖Fig. 1 The common mode ind

7、uctor 共模電流經(jīng)過(guò)共模電感時(shí)產(chǎn)生的磁通互相疊72 加 , 由 L =/I 可知共模電感量也相應(yīng)增加 。而 差模電流經(jīng)過(guò)共模電感時(shí)情況則相反 , 磁通互相 抵消 , 因此差模電感量很小 , 幾乎為零 。 理論上共 模電感對(duì)于共模電流表現(xiàn)為高阻抗 , 對(duì)差模電流 表現(xiàn)為零阻抗 , 主要用來(lái)抑制共模噪聲干擾 。共 模電感通常采用干擾抑制專(zhuān)用的鐵氧體材料作為 磁芯 。差模電感就是單個(gè)電感 , 差模電感中流過(guò)的 工作電流容易使磁通飽和 , 從而使該電感對(duì)差模 噪聲電流呈現(xiàn)不出電感而達(dá)不到濾波效果 , 因此 差模電感的磁芯選擇不易飽和的磁粉芯 。傳統(tǒng)的扼流圈由分立的共模電感與差模電感 連接而成 ,

8、因此其較長(zhǎng)引線(xiàn)造成的分布電感和分 布電容對(duì)濾波特性有很大的影響 , 模電感 。 1. 2 圖 2為集成了共模電感與差模電感的合成扼 流圈。 這種合成扼流圈是在共模磁芯里面再增加 了一個(gè)差模磁芯 ,L 線(xiàn)和 N 線(xiàn)上共差模分別共用一 個(gè)繞組 , 繞組方向以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向見(jiàn)圖 21 。圖 2 合成扼流圈示意圖Fig. 2 The integrated choke 圖 2中實(shí)線(xiàn)箭頭表示的 H CCM 和 H DCM 分別為 共模電流與差模電流在共模磁芯內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng) 度方向 , 虛線(xiàn)箭頭表示的 H CDM 和 H DDM 分別為共 模電流與差模電流在差模磁芯內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度 方向 。 為使差模電感

9、和共模電感的相互影響最 小 , 便于對(duì)共差模電路進(jìn)行解耦分析 , 合成扼流圈 的上下兩個(gè)繞組應(yīng)互相對(duì)稱(chēng) , 即在共模電感和差 模電感上的繞組匝數(shù)相等 , 因此各磁通經(jīng)過(guò)疊加 之后 , H CCM 與 H DDM 由于方向相同變?yōu)樵瓉?lái)的兩 倍 , H DCM 和 H CDM 則都由于方向相反相互抵消變 為零 。 差模電感對(duì)于共模電流沒(méi)有作用 , 共模電 感對(duì)于差模電流也沒(méi)有作用 , 共差?；ハ嗒?dú)立 。 合成扼流圈對(duì)于共模電流只表現(xiàn)出共模電感的作 用 , 電感量為 L C =2L CM , 對(duì)于差模電流只表現(xiàn)出 差模電感的作用 , 電感量為 L D =2L DM 。由此可以看出 , 合成扼流圈優(yōu)化

10、了線(xiàn)圈繞組 , 使得共模與差模相互獨(dú)立 , 便于進(jìn)行共差模濾波 器分開(kāi)設(shè)計(jì) , 同時(shí)減小了 EM I 濾波器的尺寸與線(xiàn) 圈的用量 , 也減小了器件之間連接的引線(xiàn)長(zhǎng)度及 其分布電感和電容 。2 濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源 EM I 濾波器之前 , 我們必須先 弄清幾個(gè)基本問(wèn)題 。 2. 11. 1, 噪聲的 L ISN 來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 L ISN 是指線(xiàn)路阻 抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) , 又稱(chēng)人工電源網(wǎng)絡(luò) , 是傳導(dǎo)型噪聲測(cè) 量的重要工具 。圖 3 噪聲測(cè)量結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 The circuit of noise test 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3中虛線(xiàn)框內(nèi)所示 , 高頻時(shí) ,電感相當(dāng)于斷路 , 電容短路 , 低頻時(shí)相

11、反 , 其等效電路如圖 4所示 。圖 4 L ISN 網(wǎng)絡(luò)高低頻等效電路圖Fig. 4 The equivalent circuits or LISN in high and low frequency 由此可見(jiàn) ,L ISN 的作用為隔離待測(cè)試的設(shè)備和輸入電源 , 濾除由輸入電源線(xiàn)引入的噪聲及 干擾 , 并且在 50電阻上提取噪聲的相應(yīng)信號(hào)值 送到接收機(jī)進(jìn)行分析 。 2. 1. 2 濾波器阻抗失配原理根據(jù)信號(hào)傳輸理論 , 濾波器輸入端與電源端82 的端接 、 濾波器輸出端與負(fù)載端的端接應(yīng)遵循阻抗極大不匹配原則 。 因此濾波器設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下 兩個(gè)規(guī)則 :1 源內(nèi)阻是高阻 (低阻 的 , 濾波器

12、輸入 阻抗就應(yīng)該是低阻 (高阻 ;2 負(fù)載是高阻 (低阻 的 , 則濾波器輸出阻抗就應(yīng)該是低阻 (高阻 2。 所以 , 我們用電感與低的源阻抗或者負(fù)載阻抗串 聯(lián) , 或者用電容與一個(gè)高的源阻抗或負(fù)載阻抗 并聯(lián) 。 2. 2 濾波器電路結(jié)構(gòu)分析在以上幾個(gè)基本問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上 , 本文提 出了一種基于合成扼流圈的濾波器電路拓?fù)?, 如 圖 5所示 , 虛線(xiàn)框內(nèi)為合成扼流圈。 圖 5 運(yùn)用合成扼流圈的濾波器結(jié)構(gòu) Fig. 5 The structure of EMI filter wit h integrated choke 由于共模差模產(chǎn)生原因以及傳播途徑的不 同 , 為使共差模噪聲互不影響 ,

13、我們?nèi)?C Y 1=C Y 2=C Y , 使電路處于平衡結(jié)構(gòu) , 這樣我們就可以對(duì)共差模進(jìn)行解耦分析 , 并分別進(jìn)行共差模濾波器 設(shè)計(jì) 3。2. 2. 1 共模等效電路 圖 6為濾波器的共模等效電路圖 , 由于 C X 對(duì)于共模噪聲不起作用 , 故將其略去 , 并且以接地 點(diǎn) G 為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)將電路對(duì)折 。根據(jù)上面合成扼流 圈的分析可知 , 其等效共模電感量為 L C , 兩個(gè) C Y 的等效電容值因并聯(lián)變成原先的兩倍 ,L ISN 提供的兩個(gè) 50的電阻負(fù)載也并聯(lián)成為 25的等 效負(fù)載 。 這個(gè) 25的等效負(fù)載阻抗可以看作濾 波器的負(fù)載阻抗 , 其值相對(duì)較小 , 而通常情況下共 模噪聲源阻抗

14、Z CM 一般較大 , 所以根據(jù)濾波器阻 抗失配原理 , 我們用電感器 L C 與濾波器負(fù)載阻 抗相串連 , 用電容器與共模噪聲源阻抗 Z CM相并 圖 6 共模等效電路圖Fig. 6 CM noise equivalent circuit聯(lián) , 在滿(mǎn)足 1/2C Y Z CM 和 L C 25的條件 下 , 阻抗失配極大化 , 從而濾波器對(duì)于共模噪聲的 插入損耗也盡可能大 。 容易看出此等效電路為 L C 二階低通濾波電 路 , 其轉(zhuǎn)折頻率為f RCM =2C 2C Y(1 其插入損耗隨著噪聲頻率以 40dB/dec 的斜 率增加 。2. 2. 2 差模等效電路, 合 D , ISN 提供的

15、 的負(fù)載 Z CM 一般較小 , 通常 滿(mǎn)足 2/C Y Z DM ,因此可將 Y 電容忽略 。由此 得到簡(jiǎn)化的差模等效電路圖 , 如圖 7所示 。圖 7 差模等效電路圖Fig. 7 DM noise equivalent circuit 根據(jù)濾波器阻抗失配原理 , 我們用電容器 C X 與負(fù)載阻抗相并聯(lián) , 用電感器 L D 與差模噪聲源 阻抗 Z CM 相串聯(lián) 。在滿(mǎn)足 L D Z DM 和 1/C X 100的條件下 , 阻抗失配極大化 , 濾波器對(duì)于差 模噪聲的插入損耗也盡可能大 。 與共模等效電路 一樣 , 這也是 L C 二階低通濾波電路 , 其轉(zhuǎn)折頻 率為f RDM =2D C

16、X (2 其插入損耗隨著噪聲頻率也是以 40dB/dec 的斜 率增加 。 2. 3 濾波器元器件參數(shù)計(jì)算基于以上的分析 , 我們可以計(jì)算相應(yīng)的濾波 器元器件參數(shù) 。 首先根據(jù)測(cè)得的原始共模與差模 噪聲 , 決定需要衰減的噪聲頻率段與衰減量 , 求得 共差模濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 , 然后計(jì)算濾波器各個(gè) 元件的參數(shù) 。在計(jì)算元件參數(shù)時(shí) , 我們應(yīng)該注意 , 由于濾波 器電感電容值越大 , 其轉(zhuǎn)折頻率越低 , 對(duì)噪聲的抑 制效果越好 , 但同時(shí)成本和體積也相應(yīng)增加 。而92 且由材料特性可知 , 當(dāng)電感電容值越大時(shí) , 可持續(xù) 抑制噪聲的頻率范圍也相對(duì)變窄 , 因此其值不可 以取得無(wú)限大 。 考慮到電

17、容對(duì)于體積的影響較電 感小 , 而且市場(chǎng)上出售的電容器都有固定的電容 值 , 與電感值相比缺乏彈性 , 故在決定電感電容值 時(shí) , 應(yīng)優(yōu)先考慮電容 。在計(jì)算共模元器件參數(shù)時(shí) , 由于電容 C Y 受 安規(guī)限制 , 其值不能太大 , 應(yīng)該選擇符合安規(guī)的最 大值 。 選 取 C Y 后 , 利用 已經(jīng) 得 到 的 轉(zhuǎn) 折 頻 率 f RCM , 可以通過(guò)式 (1 計(jì)算出所需共模電感量為L(zhǎng) C =2f RCM 22C Y而在計(jì)算差模元器件參數(shù)時(shí) , 電感與電容值的選擇彈性較大 。在決定差模電容值 C X , 電感值可通過(guò)式 ( 2RDM 2C X同時(shí)濾波器元件值的選擇應(yīng)考慮對(duì)濾波器電路本身造成的影響

18、 , 比如穩(wěn)定性等 。3 試驗(yàn)為了驗(yàn)證合成扼流圈的實(shí)際使用效果 , 我們 分別設(shè)計(jì)了應(yīng)用傳統(tǒng)扼流圈的濾波器與應(yīng)用合成 扼流圈的濾波器 , 兩者磁芯以及電感電容參數(shù)相 同 , 并且對(duì)兩者進(jìn)行了噪聲衰減的比較試驗(yàn) , 試驗(yàn) 結(jié)果如圖 8所示 。 本文選用北京某公司功率為 12W 的 12V 轉(zhuǎn) 15V 開(kāi)關(guān)電源作為待測(cè)試的電源模塊 。由于 此濾波器用于車(chē)用 DC/DC 變換器控制電路板 上 , 因此采用整車(chē)及零部件所遵循的 CISPR25電 源線(xiàn)輸入端傳導(dǎo)騷擾電壓標(biāo)準(zhǔn)作為本試驗(yàn)的衡量 標(biāo)準(zhǔn) , 掃描頻率從 150k Hz 到 108M Hz 。 其中 , 圖 8a 為共模噪聲頻譜圖 ; 圖 8b 為差模噪聲頻譜圖 ; 圖 8c 為合成噪聲頻譜圖 。從圖 8可以看出 , 根據(jù)本文所述的方法設(shè)計(jì) 出來(lái)的濾波器能有效地衰減開(kāi)關(guān)電源的 EM I 噪 聲 , 使其滿(mǎn)足相關(guān)的 EMC 標(biāo)準(zhǔn) 。由于合成扼流 圈在一定程度上消除了傳統(tǒng)扼流圈由于分立共差 模電感間存在較長(zhǎng)的引線(xiàn)所造成的分布參數(shù)對(duì)于 濾波性能的影響 , 并且優(yōu)化了線(xiàn)圈繞組 , 因此使其 與傳統(tǒng)扼流圈相比 , 在濾波性能上有了進(jìn)一步提 升 。 由圖 8可見(jiàn) , 其插入損耗在某些頻率段提高 了 35dB , 且經(jīng)其衰減之后的噪聲相對(duì)比較 平滑 。 圖 8 實(shí)驗(yàn)波形比較圖Fig. 8 T