EMI電源濾波器的設計和研究

1、中圖分類號：學校代碼：密級：公開北京交通大學作者姓名：王麗導師姓名：張小青學位類別：工學學科專業(yè)：電力電子與電力傳動碩士學位論文電源濾波器的設計和研究學號：職稱：教授學位級別：碩士研究方向：濾波器的設計和研究北京交通大學年月中文摘要摘要：隨著開關電源類產(chǎn)品的日益增多，電磁兼容設計成為開關電源開發(fā)過程中至關重要的一個環(huán)節(jié)，相應的電磁兼容標準也成為開關電源類產(chǎn)品必須滿足的性能指標。高頻開關電源是嚴重的電磁干擾源，很多情況下需對其安裝電源濾波器。傳統(tǒng)的濾波器設計方法計算繁瑣、設計過程復雜、研發(fā)時間長。為了提高濾波器性能和縮短開發(fā)時間，本文針對開關電源介紹了一種簡單且效果良好的濾波器設計方法。本文在闡

2、述開關電源電磁干擾基本特點的基礎上，提出了電源傳導加固技術。文中闡述了電源濾波器的基本原理、拓撲結(jié)構(gòu)、設計原則和濾波器件的高頻特性，分析了網(wǎng)絡理論及其在電源濾波器設計中的應用。本文以某一航空產(chǎn)品中的開關電源項目為依托，設計電源濾波器。通過了解開關電源需要滿足的電磁兼容標準，測試分析其電磁干擾信號特點，提出濾波器性能指標。利用網(wǎng)絡理論設計分析濾波電路，通過編程實現(xiàn)對濾波電路參數(shù)的設計。建立濾波器插入損耗仿真模型，編寫仿真程序，對設計結(jié)果進行分析，最后通過實際測試，驗證設計方法的正確性。同時，在電源濾波器設計的基礎上，對濾波器進行了拓展功能的電路設計，主要針對開關動作所引起的浪涌電壓。通過討論應用

3、于電源濾波器中的軟磁鐵氧體材料的特性，提出了鐵氧體磁芯的選擇原則和應用方法，同時討論了主要濾波器件的選擇和設計。深入研究電源濾波器在工程設計中的關鍵技術及濾波器封裝技術，并提出封裝過程測試方法及工程應用時安裝使用應注意的主要問題。關鍵詞：網(wǎng)絡理論；電源濾波器；插入損耗；開關電源分類號：請輸入分類號（），以分號分隔。量塞鑾道厶堂亟堂籃墮遼一：（，（），鋤（）：，：；：請輸入分類號，以分號分隔。韭塞褒蕉鑫蘭亟囊璺焦監(jiān)塞致謝我的論文是在導師張小青教授的悉心指導下完成的。張老師豐甯的專業(yè)知識、嚴謹耱治擎態(tài)度、實攀求是熬學術終菇幫兢兢蝗塑黲工箏耪耱繪我鏨下深裂耱印象。在張老師的影響和熏陶下，我明白了許多

4、為人處事的道理，激勵著我在今厝的工作、學習中不斷的進取，斑好人生的縛一步。在此，謹向張老師表示衷心鵑惑囂。在攻讀碩士學位期間，得到北京理工大學區(qū)健昌教授指點疑惑，點明方向，使我終生受益匪淺，在此深表感謝。在乎辯瓣學習生滔中褥鬟弱實驗室王澆辮、震春華、王芳、警鞠等弱學豹支持，給我提供了許多幫助，在此向他們表示衷心的感謝。最后，我要深深的感謝我的家人對我一貫的理解和支持，他們的愛是我學習捧孛豹苓游動力。引言研究背景及意義高頻開關電源由于其在體積、重量、功率密度、效率等方面的諸多優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應用于工業(yè)、國防、家電產(chǎn)品等各個領域。然而，隨著開關電源類數(shù)字電路的普及和發(fā)展，電氣電子設備輻射和泄漏的

5、電磁波嚴重干擾了其他電氣電子設備的正常工作，成為一種無形的污染。同時隨著國際電磁兼容法規(guī)的日益嚴格，產(chǎn)品的電磁兼容性能指標要求越來越高。為了減小電氣電子設備問的相互干擾，營造良好的電磁工作環(huán)境，世界各國都制定了各自的電磁兼容標準，以利于設備相互問的工作協(xié)調(diào)，如國際電工委員會的及系列標準、歐共體的系列標準、美國聯(lián)邦通信委員會的系列標準、北美標準等等。我國現(xiàn)行的系列電磁兼容標準主要是參照修訂的。因此，開關電源電磁兼容問題的研究是十分必要的。一般來說，電磁兼容性（，）是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力【】。具體包括以下兩方面的含義：（）電子設備

6、或系統(tǒng)內(nèi)部（包括部件和子系統(tǒng)）在自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境及在它們所處的外界電磁環(huán)境中，能按原設計要求正常運行。（）設備或系統(tǒng)自己產(chǎn)生的電磁噪聲必須限制在一定的電平，電磁干擾不對周圍的電磁環(huán)境造成嚴重的污染和影響其它設備或系統(tǒng)的正常運行。電磁干擾（，）的構(gòu)成有三個要素：干擾源、噪聲的耦合路徑及被干擾設備【】因此，電磁兼容要解決的主要問題是：削弱干擾源的能量，隔離或減弱噪聲耦合途徑及提高設備對電磁干擾的抵抗能力。電磁干擾能量主要通過輻射性耦合和傳導性耦合進行傳輸。屏蔽、濾波和接地是最常用的電磁兼容控制技術。屏蔽用于切斷空問的輻射發(fā)射途徑，濾波用于切斷通過導線的傳導發(fā)射途徑，而接地的好壞則直接影響到設備

7、內(nèi)部和外部的電磁兼容性。眾多實踐經(jīng)驗表明，在電氣電子新產(chǎn)品的設計階段，電磁兼容性考慮得越早，問題越簡單，解決問題所需要的成本也越低，否則越是到后面階段，可以用來抑制噪聲、防止受干擾的手段越少，為此所付出的代價也越高。圖形象的說明了這一關系。因此，為了保證開關電源的電磁兼容性，在新產(chǎn)品的設計階段就應當丞鑾遁厶堂亟堂位迨塞首先進行電磁兼容的測試和評估。瞞本與技術開發(fā)時同圖電磁兼容設計成本和技術手段在研發(fā)各階段的關系近年來，在電力電子技術大力發(fā)展的同時，人們在開關電源的電磁兼容性研究過程中普遍遇到的一個技術難題就是傳導干擾問題。傳導干擾主要包括設備信號線傳導干擾、接地線共地阻抗干擾以及電源線傳導干擾

8、，其中電源線上的傳導干擾危害最大，抑制環(huán)節(jié)也最為薄弱。公司的一項研究表明，一臺普通計算機裝置每月都會遭受多次電源干擾，它包括停電、電壓不穩(wěn)、尖峰信號、浪涌和線路噪聲等。在嚴重威脅設備安全可靠工作的起因中，是來自電源中的脈沖干擾和振蕩瞬變，它們是電源干擾的主要成分【】。因此，一般在電源輸入端口都要安裝電源濾波器，主要有兩個目的，其一是抑制經(jīng)電源線進入敏感設備或系統(tǒng)的電磁干擾；其二是抑制設備或系統(tǒng)自身的傳導發(fā)射。通常，電源濾波器受電源模塊體積所限，無法選取更復雜的拓撲結(jié)構(gòu)和更大的元器件參數(shù)，因此電源濾波器設計需要盡早考慮。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在電磁兼容性設計方面歐美等國家起步較早，發(fā)展很快。早在上世紀年

9、代就已經(jīng)提出了電磁兼容概念，年代，出現(xiàn)了電磁兼容的計算機輔助分析，年代以后，電磁兼容的分析預測性設計逐漸發(fā)展并且得到應用，研制了大量不同規(guī)模的電磁兼容分析預測軟件，同時建立了相應的電磁兼容標準和規(guī)范，形成了一整套完整的電磁兼容體系。我國由于過去經(jīng)濟基礎比較薄弱，電磁兼容的矛盾不突出，所以起步較晚、水平較低，大多停留在被動的或半主動的解決電磁干擾問題階段。在年代，國內(nèi)一些單位特別是軍品單位在實際工作中遇到了電磁兼容問題，開始引起重視。年代成立了全國無線電干擾標準化技術委員會，研究和制定了一些電磁兼容標準。隨著電磁兼容熱的迅速升溫，國內(nèi)的一些科研單位、大學也逐漸建立了電磁兼容實驗室，進行電磁兼容的

10、檢測和認證及電磁環(huán)境的測試和評估工作。我國在電磁兼容分析預測方面也作了不少努力，一些系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)問的小規(guī)模針對性的電磁兼容分析預測軟件已研制出來，如航天部開發(fā)的軟件。目前電磁兼容在軍用產(chǎn)品中應用相當廣泛，在民用產(chǎn)品中也越來越受到重視。在此期間，濾波技術作為電磁兼容控制的關鍵技術，也得到了迅速的發(fā)展。濾波器作為濾波技術的載體之一，在國內(nèi)外研究人員的努力下，其設計理論不斷發(fā)展。在年提出一種圖表方法，通過事先繪制成的濾波器插入損耗分析列線圖設計單級型或型濾波器【”。年，在其專著中發(fā)展了這一方法，考慮濾波器件高頻特性對列線表的影響，并且這一方法不再局限于單級濾波器（。提出了另一種方法，根據(jù)設計阻抗和插

11、入損耗要求選取濾波網(wǎng)絡，估算元件參數(shù)，然后不斷的校核分析濾波器插入損耗，修正元件參別“。這些設計方法分析過程繁雜，校核運算量都很大。在上述理論設計方法的指導下，近年來又出現(xiàn)了一些新的設計方法。文獻【】提供了一種濾波元件數(shù)值的計算方法，它以輸入阻抗、輸出阻抗、電磁兼容標準、正常工作時流過濾波器的電流等作為初始條件，引入濾波器設計阻抗和截止頻率的概念，根據(jù)截止頻率、電磁兼容標準及選取的濾波器電路形式計算得出濾波元件值。這種設計方法簡單快捷，但是沒有考慮到元器件的高頻特性及共模電感磁芯的性質(zhì)，實際制作通常達不到預期的目標。文獻提出一種連續(xù)正交陣列（）方法，無需分離共模和差模噪聲信號，直接設計整個濾波

12、器。而且能夠保證較高的功率因數(shù)（）。但是如果濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)復雜一些，其運算量相當大。文獻【】采用平面電磁綜合技術（），通過減小等效串聯(lián)電感和等效并聯(lián)電容，提高濾波器高頻特性，最后利用二維有限元（）軟件驗證濾波器結(jié)構(gòu)。本文綜合前人對電源濾波器的研究方法，應用網(wǎng)絡理論建立濾波器設計及分析仿真模型，考慮器件高頻分布參數(shù)、器件的不同選擇及外部環(huán)境對濾波器性能的影響，編制了濾波器電感設計軟件和插入損耗仿真分析軟件，從而極大簡化了濾波電感元件和濾波器的設計過程。本文主要工作根據(jù)電源濾波器的研究需要，本文主要做了一下幾方面的工作：塞鑾道盔堂亟堂位論塞（）概述電磁兼容的定義、電磁兼容設計的主要任務和目前國內(nèi)

13、外電磁兼容設計的研究情況。陳述國內(nèi)外電源濾波器發(fā)展歷史和現(xiàn)狀以及一些主流設計方法的優(yōu)缺點。（）討論電源濾波器的特點及開關電源信號類型，并給出濾波器電路結(jié)構(gòu)選取原則。應用網(wǎng)絡理論分析電源濾波器，討論相關網(wǎng)絡參數(shù)與濾波器插入損耗的關系。（）分析濾波電感、濾波電容的高頻電路模型及高頻特性。（）根據(jù)電源濾波器的設計規(guī)范，選定濾波電路結(jié)構(gòu)，建立濾波器的共模及差模等效電路模型。（）分析開關電源產(chǎn)生的干擾，確定插入損耗指標，編制電感設計軟件和濾波器分析軟件。（）進行濾波電感的設計計算，確定最終電路結(jié)構(gòu)，在分析濾波器高頻等效電路的基礎上，對電源濾波器共模及差模插入損耗進行理想和高頻狀態(tài)仿真分析，討論不同元件參

14、數(shù)選擇、分布參數(shù)模型和測量、使用系統(tǒng)對濾波器頻率特性的影響。（）通過實際測試，驗證電源濾波器的性能，對仿真分析結(jié)果與實際測試結(jié)果進行對比分析，驗證等效電路模型和濾波器設計方法的合理性。（）對電源濾波器進行拓展功能設計，抑制由開關動作所引起的浪涌電壓。（）分析鐵氧體磁性材料的主要性質(zhì)，討論軟磁鐵氧體在電源濾波器中的應用。同時討論濾波電感及電容的器件設計技術。（）討論電源濾波器工程應用問題，論述其制作封裝，安全檢測、安裝形式及安裝注意事項等幾方面問題。巒鑾適厶堂亟學焦途室里！生涯選這鲞的遮讓廈墅！巫垣翅搓盆拯電源濾波器的設計原則及插入損耗分析電源濾波器在電磁兼容設計中，即使是經(jīng)過很好的設計并具有正

15、確的屏蔽和接地措施的設備，也不能提供完整的電磁干擾防護，仍然會有傳導騷擾或傳導騷擾發(fā)射進出設備，這是因為設備或系統(tǒng)上的電纜是最有效的騷擾接收與發(fā)射天線。解決這個問題最有效的方法是在電纜的端口處使用濾波器。濾波器的作用是抑制干擾信號通過，因此它與一般的通信及信號處理中所討論的信號濾波器相比，具有下列不同特點：（）濾波器在對電磁干擾抑制的同時，能在大電流和電壓下長期工作，對有用信號消耗小，保證最大的傳輸效率。（）濾波器中用的電感、電容元件，必須具有足夠大的無功功率容量，同時對元件寄生參數(shù)的控制也比較苛刻。（）信號處理中用的濾波器，通?？偸前醋杩雇耆ヅ錉顟B(tài)設計的，所以可以保證得到預想的濾波特性。但

16、是，在電磁兼容設計中，很難做到這點，有時濾波器不得不在失配狀態(tài)下運行，因此必須認真考慮其失配特性，以保證濾波器在工作頻率范圍內(nèi)有比較高的衰減性能。（）濾波器雖然是抗電磁干擾的重要元件，但是使用時必須仔細了解其特性，并正確使用。否則，不但會失去濾波功能，有時還會導致新的噪聲。（）濾波器應該有足夠的機械強度、安裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點電源濾波器，又稱為電網(wǎng)濾波器、進線濾波器，它是濾波器中的一種，允許直流或工頻（、）信號通過，對頻率較高的其它信號和干擾信號有較大的衰減作用。通用的電源濾波器可以定義為一個低通網(wǎng)絡，它由電感、電容或電阻等無源器件組成。一般可根據(jù)其電路形式分為單電

17、阻、單電感、單電容、型、型、型、型等基本電路形式，如圖所示，它們是組成電源濾波器的基礎哺。電源濾波器的主要性能指標一般包括額定電壓、額定電流、插入損耗、漏電流、阻抗匹配，頻率特性、物理尺寸及重量、使用環(huán)境和濾波器本身的可靠性等。但是在使用時考慮最多的是額定電壓及電流值、插入損耗和漏電流。額定電壓和額定電流主要是出于安全和性能考慮的。額定電壓是輸入濾波器的最高允許電壓值，主要是保證濾波器在該工作電壓；??？一丁丁丁圖基本的電源濾波器下，其內(nèi)部的電容器、電感線圈以及它們和金屬外殼之間的絕緣，在最大峰值電壓下，包括浪涌等有害瞬變過程都不出現(xiàn)絕緣破皮現(xiàn)象。濾波器的額定電壓一般取最大峰值電壓的兩倍。額定電

18、流是指在額定電壓和規(guī)定環(huán)境溫度條件下。濾波器所允許的最大連續(xù)工作電流。額定電流均為工作環(huán)境是攝氏度時的額定電流值，在其他環(huán)境溫度下濾波器的最大工作電流可按下式計算：（一），。一（）其中，是攝氏度的額定電流，是工作環(huán)境溫度【】。一般環(huán)境溫度越高允許的工作電流越小。同時，工作電流還與頻率有關，工作頻率越高，允許電流越小。當濾波器的工作電流超過額定電流時，會造成濾波器過熱，使得低頻濾波性能下降。因此，在確定濾波器的額定工作電流時要以設備的最大工作電流為準，一般取濾波器的額定電流是實際最大工作電流值的倍左右。插入損耗（，）是從抑制干擾的角度出發(fā)，是濾波器最重要的技術參數(shù)。具體的內(nèi)容將在后面的章節(jié)中介紹

19、。漏電流是指在額定電壓下，濾波器相線和中線與地之間流過的電流。一般出于安全的考慮對漏電流都有嚴格的規(guī)定。壅鑾適叁堂亟堂位論塞基！電渥洼這矍的遘讓廈刈厘塹厶掘搓盆圭匠開關電源信號類型及特點電源濾波器主要是針對電源線上的干擾信號類型來進行抑制的。電源線上的干擾信號包含了很多可變的因素，給分析帶來了一定的難度。但是通常這些電源干擾是以共模（，）和差模（，）方式存在，因此干擾信號按傳導路徑的不同可分為共模干擾信號和差模干擾信號。共模干擾是指電源線對大地或中線對大地之間的電位差，對于三相電路來說，共模干擾存在于任何一相與大地之間。共模電流是在相線（或中線）和地線之間流動的、相位相同的電流，共模電流一般利

20、用外部接地系統(tǒng)，電纜、金屬制品等做為電流的返回路徑。共模干擾如圖所示。圖差模干擾通常情況下，共模電流和電壓振幅非常小，但是由于在電路中它們的回路面積很大，因此由共模干擾所引起的電磁兼容問題比等價的差模干擾更嚴重。在大塞至垣厶堂亟堂位途塞多數(shù)場合電源濾波器主要抑制共模干擾信號。開關電源與交流電網(wǎng)連接的框圖如圖所示。盡管開關電源的噪聲源是一個單端：網(wǎng)絡，但具有相線（）、中線（）和地線（）的開關電源實際上形成了兩個端口，所以在實際分析時可將噪聲源分解為共模和差模噪聲源。由于共模和差模這兩種模式的傳導噪聲來源不同，傳導途徑也不同，因而開關電源的共模濾波器和差模濾波器應當分別設計。，嗡人工電源網(wǎng)絡一開關

21、電源二一。亡占圈開關電源對交流電網(wǎng)形成的共、差模噪聲源丌關電源在工作時，開關的切換頻率通常從數(shù)千赫茲到上百千赫茲，而陡峭的上升及下降電壓與電流波形，內(nèi)含相當多的高頻成分，所以開關電源本身就是一個干擾發(fā)射源。但是與高速數(shù)字電路相比，由于它的開關功率大，開關頻率不太高，所以開關電源呈現(xiàn)出不同于高速數(shù)字電路的電磁干擾特性。它們主要表現(xiàn)蔓】：（）作為工作于開關狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高。（）干擾源主要集中在功率開關器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器，干擾源的位置較為清楚。（）開關頻率不高，主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。（）開關電源印刷電路板的走線通常采用手工布局，具有更

22、大的隨意性，增加分布參數(shù)的提取和近場干擾預估的難度。電路結(jié)構(gòu)選取原則電源濾波器通常希望其工作在規(guī)范的輸入阻抗和輸出阻抗中，一般源阻抗和負載阻抗都等于。當源阻抗和負載阻抗與濾波器規(guī)范規(guī)定的阻抗不同時，輸出響應就會發(fā)生變化，濾波器將不能達到預期的工作性能。但是在實際應用中，電源濾波器兩端阻抗通常都是處于失配狀態(tài)。設電源的輸出阻抗和與其連接的濾波器的輸入阻抗分別為和，根據(jù)信號傳輸理論，當，在濾波器的輸入端口會發(fā)生反射，發(fā)射系數(shù)為【）（）（）顯然，和相差越大，便越大，端口產(chǎn)生的發(fā)射越大。當阻抗處于失配狀態(tài)時，信號會在它的輸入和輸出端口產(chǎn)生反射。失配越大，反射越大。所以，濾波器輸入端口應與電源的輸出端口

23、處于失配狀態(tài)，使信號產(chǎn)生發(fā)射。同理，濾波器輸出端口也應與負載處于失配狀態(tài)，使信號產(chǎn)生發(fā)射【叭。對于信號，電感是高阻抗的，電容是低阻抗的，所以在進行電源濾波器電路結(jié)構(gòu)的設計時應遵循下列原則：如果源內(nèi)阻和負載是阻性或感性的，與之端接的濾波器接口就應該是容性的。如果源內(nèi)阻和負載是容性的，與之端接的濾波器接口就應該是感性的。具體的組合方式見表一所示。表電源濾波器的端接方式￥源阻抗低負載阻抗低濾波器形式”飛低高高低“叮”一一一一一局高”電源濾波器插入損耗的計算方法電源濾波器對干擾信號的抑制能力用插入損耗來衡量，插入損耗是濾波塞鑾適太堂亟堂位逾塞器最重要的技術參數(shù)之一。本節(jié)主要利用網(wǎng)絡理論分析濾波器的網(wǎng)絡

24、結(jié)構(gòu)，從而得出插入損耗的基本計算公式，其中最關鍵的是推導出濾波器二端口網(wǎng)絡的參數(shù)。二端口網(wǎng)絡【】圖所示為一個二端口網(wǎng)絡，其中端口為輸入端口，端口為輸出端卜丫土圖二端口網(wǎng)絡的傳輸方程為：圖二端口網(wǎng)絡黔：芝藝鍬口：（，）引入矩陣的概念，則公式（）可以表示為：陋，。（槲城。，（羔損耗的關鍵。川式（）中的稱為參數(shù)矩陣。參數(shù)矩陣各元素的計算是推導濾波器插入迸芷瓣圖個二端口網(wǎng)絡級聯(lián)韭立鑾適厶堂亟堂位金塞巨叢出邀選泫墨的遞讓愿則叢垣厶塑搓岔撫對于個二端口網(wǎng)絡的級聯(lián)，如圖可得：（芝）耗的分析。仁，由此，在對濾波器進行網(wǎng)絡分析時，可以將復雜的二端口網(wǎng)絡分解為多個典型濾波電路二端網(wǎng)絡的級聯(lián)，分別計算出各個二端網(wǎng)絡

25、的參數(shù)矩陣并連乘參數(shù)矩陣，即可獲得復雜濾波器網(wǎng)絡的參數(shù)矩陣，進而實現(xiàn)對濾波器插入損典型的濾波電路如圖所示，它們中常用的參數(shù)矩陣列于表中。表典型濾波電路的參數(shù)矩陣典型濾波電路與、。參數(shù)矩陣（：警）（二）彬下一，（厶）厶厶孫厶國三，國（：）一，電源濾波器插入損耗插入損耗是電源濾波器的重要參數(shù)，它是頻率的函數(shù)。通常把插入損耗隨頻率變化的曲線稱為濾波器的頻率特性。濾波器的插入損耗越大，濾波效果越好。電源濾波器插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率之比，用（分貝）立鑾遭厶堂亟堂垃途塞表示。濾波器接入前、后的電路如圖（），（）所裂。圖插入損耗方框

26、圖，上（。由于；所以，（）（）由圖（）可得：墨根據(jù)圖（）的網(wǎng)絡傳輸方程，同時有巧。匕厶【巧珞一厶，式（），（），（）聯(lián)立可解出為：三一?？谥淙汤材岢詫⑹剑ǎǎ┐胧剑ǎ┘纯傻贸霾迦霌p耗的計算公式：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（一）在進行濾波器的設計時，式（）用于計算濾波電感數(shù)值和仿真檢驗濾波器的性能。同時，我們要注意電源濾波器插入損耗和通常所說的轉(zhuǎn)移電壓衰減的定義是不同的，所以書本上已有的濾波器電壓衰減圖表和數(shù)據(jù)不能直接應用于插入損耗。電感、電容的高頻特性電感和電容是構(gòu)成電源濾波器的主要元件，它們的高頻分布參數(shù)直接影響到濾波器的性能。在低頻狀態(tài)下，電感和電容一般被當作理想器件即純電

27、感和純電容。但是在高頻狀態(tài)下，它們的特性將遠遠偏離理想狀態(tài)時的特性。實際電感器電源濾波器中的電感器通常都是繞制成線圈形式，磁芯為鐵氧體軟磁磁芯。與一般的電感器一樣，在一個很寬的頻率范圍內(nèi)，濾波電感具有線圈的直流電阻和分布電容，分布電容存在于電感繞組匝與匝的導線之問及多層繞組的層與層之間。分布電容是影響電感頻率特性的主要指標。實際電感的等效電路如圖所利。圖實際電感的等效電路根據(jù)這一等效電路，電感的阻抗為：乙而蠆麗萬感器的諧振頻率：（）在直流段即時，等于月；當在低頻段即時，電感的阻抗隨頻率升高而增加；當時，電感工與分布電容發(fā)生并聯(lián)諧振，達到最大值；當（時，電感的阻抗呈現(xiàn)電容阻抗的特性，阻抗隨頻率升

28、高而降低。頻率是電厄（）根據(jù)式（），實際電感的頻率特性如圖所示。筮鑾塑厶堂亟堂位絲塞圖實際電感的頻率特性因此，為了改善電感的高頻特性，可通過以下兩個途徑實現(xiàn)：一是在體積不變的情況下，獲取最大的電感值：二是將線圈的分布電容減小到最小。實際電容器實際的電容器和電感類似，它也不是一個純粹的電容。實際的電容器由絕緣漏電阻島、等效串聯(lián)電阻、等效串聯(lián)電感和電容構(gòu)成。絕緣漏電阻是介質(zhì)材料本身的電阻，等效串聯(lián)電阻是電容器引線等的等效電阻，而等效串聯(lián)電感分量是由電容引線和結(jié)構(gòu)所決定的。高頻狀態(tài)下，電感分量是影響電容頻率特性的主要指標。實際電容器的等效電路如圖所示【。圖實際電容的等效電路電容的阻抗為：乙磁嗚瓣（）

29、根據(jù)式（），實際電容的頻率特性如圖所示。糾毋心焉圖實際電容的頻率特性在頻率非常低時，電容器表現(xiàn)出電阻特性，其數(shù)值主要取決于絕緣漏電阻。當頻率逐漸升高時，式（）可近似等效為：娟砒去（）在電源濾波器的設計中，主要考慮的是電容在較高頻率時的實際特性，因此在進行濾波器的高頻等效電路分析中，可以采用圖所示的實際電容的簡化等效電路。叫盧芒川圖實際電容的簡化等效電路當在低頻段即時，電容的阻抗隨頻率的升高而降低；當（時，等效電感厶與電容發(fā)生串聯(lián)諧振，電容器阻抗歷最小，旁路效果最好；當頻率超過諧振點時，電容的阻抗呈現(xiàn)電感阻抗的特性，阻抗隨頻率升高而增加。頻率是電容器的諧振頻率：文露。（）實際電容器的高頻特性主要

30、取決于等效串聯(lián)電感西。等效串聯(lián)電感實際上包含兩個部分即內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引線電感厶和外部引線電感。厶取決于電容器的結(jié)構(gòu)和尺寸，一般取。取決于電容器外部引線的長短，是影響電容高頻特性和諧振頻率的主要因素。因此，在使用電容器時應設法將外部引線長度控制到最巫窯迢厶堂亟堂位迨塞小，以達到提高噪聲抑制的目的。綜上所述，在高頻條件下進行濾波器插入損耗分析時，必須按照電感和電容的高頻等效電路進行考慮。在計算高頻插入損耗時，需要將理想狀態(tài)下電感和電容的阻抗用高頻時的阻抗代替，求出相應的參數(shù)矩陣。本章小結(jié)本章討論了電源濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)、性能指標及設計原則，分析了開關電源干擾產(chǎn)生的原因、特點和干擾信號的類型。同時在應

31、用網(wǎng)絡理論分析濾波器特性參數(shù)插入損耗的基礎上，結(jié)合濾波器件的實際特性討論了在高頻情況下如何分析濾波器的高頻插入損耗。電源濾波器的設計實例本章主要通過一個實例來說明電源濾波器的設計方法。一個航空電源模塊中的開關電源，其輸入電壓是，電壓的正常工作范圍是，工作頻率是，功率是，工作效率是。經(jīng)檢測，此開關電源傳導干擾和輻射干擾超標，需要設計一個電源濾波器對其干擾進行抑制。根據(jù)前一章關于濾波器額定電壓和額定電流的描述，此濾波器的額定電壓為，額定電流為。通常電源濾波器都被認為是一個低通濾波器，但嚴格來說，由于濾波器件高頻分布參數(shù)的影響，在頻率很高時，濾波器對高頻干擾信號將不再起作用，實際上變成了一個帶阻濾波

32、器。因此，此處設計的電源濾波器的抑制對象主要是針對傳導干擾信號。至于上述開關電源存在的輻射干擾則需要通過屏蔽或其他方法解決。電源濾波器應用網(wǎng)絡理論的計算機輔助設計方法的流程圖如圖所示，主要設計步驟為：（）分析要解決的問題，提出詳細的技術指標。（）根據(jù)具體要求和設計經(jīng)驗給出認為可行的電路形式。（）分析共模和差模等效電路，分別求出各等效電路的參數(shù)矩陣。（）根據(jù)電磁兼容測試結(jié)果和標準綜合分析開關電源的干擾信號特點。（）確定濾波器部分元件參數(shù)，計算共模和差模電感。（）使用軟件對濾波器的頻率特性進行仿真，如果符合插入損耗要求設計結(jié)束。如果不符合要求，根據(jù)不符合的指標改變元件參數(shù)或電路形式，重新設計。（）

33、根據(jù)共模和差模濾波器參數(shù)，組成實際的電源濾波器。（）實際測試是否滿足標準，如不滿足，微調(diào)電路相關參數(shù)。（）實物是否滿足體積等要求，如不滿足，改變元件相關布局。塞鑾道盔翌亟堂位迨塞圖電源濾波器設計流程圖規(guī)范世界各國或地區(qū)有關傳導型的測量技術以及各類型產(chǎn)品的主要規(guī)范對照標準大致如表所示】。本文將以航空領域電源模塊中使用的開關電源為背景，以一直流電源濾波器為設計實例，并以國家軍用標準中有關軍用設備及分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量的規(guī)范作為濾波器的設計標準。表各國或地區(qū)關于傳導型主要規(guī)范中國，美國歐洲國際測量技術廠工業(yè)、科學醫(yī)療設備信息技術相關設備廣播接收相關產(chǎn)品家電產(chǎn)品燈具產(chǎn)品本文中開關電源需滿足的詳細

34、規(guī)范如表所示【】。表具體規(guī)范一，電源線傳導發(fā)射，電場輻射發(fā)射，；，天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射，圖所示為規(guī)定的電源線傳導干擾發(fā)射極限值，該極限值適用于所有電源導線及返回線。圖中曲線根據(jù)額定電壓的不同，其極限值可以相應放寬。若受試設備傳導發(fā)射超標，可參照發(fā)射極限值確定插入損耗指標，設計合適的電源濾波器。本文中的濾波器設計主要以為依據(jù)。毫鑾遁厶堂亟堂位詮塞。霹、。千特格魯皇千導暮頻率（）圖規(guī)定的電源線傳導發(fā)射極限值濾波器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析選擇濾波器電路結(jié)構(gòu)在開關電源中，主要的騷擾源是功率半導體器件開關動作產(chǎn)生的和因而電磁發(fā)射（，）通常是寬帶的噪聲信號，其頻率范圍從開關工作頻率到幾兆赫茲。所以，傳導型電磁環(huán)

35、境的測量，正如很多國際和國家標準所規(guī)定，民用標準頻率范圍在，軍用標準的頻率范圍在一。設計電源濾波器，就是要對開關頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減?；谏鲜鰳藴剩ǔＧ闆r下只要考慮將頻率高于的衰減至合理范圍內(nèi)即可。根據(jù)開關電源產(chǎn)業(yè)共模、差模干擾的特點，可以粗略按干擾的分布劃分三個頻段：差模干擾為主；差模、共模干擾共存；共模干擾為主。其簡單的列線圖如圖所示。對于開關電源來說，干擾信號容易出現(xiàn)在開關頻率點及其諧振點上，因此這些頻段是濾波器工作的主要頻段。此開關電源的工作頻率是，差模干擾信號的強度可能比較大，所以在電路結(jié)構(gòu)的選擇上使用一般性能電源濾波器，為了增強濾波器差模濾波的能力，另外再加上一級

36、差模濾波電感，電路如圖所示。頻率（）圖共模干擾和差模干擾的分布規(guī)律。圖增強差模效果的一般性能電源濾波器￥圖中的電感及其標志代表共模電感即共模扼流圈，對于相線或中線對地引入的共模干擾，均采用由共模電感厶差模電感工和共模電容構(gòu)成的對地對稱的型濾波電路；對于相線和中線之間引入的差模干擾，采用差模電容、共模扼流圈漏電感工和差模電感構(gòu)成的兀型濾波電路抑制。在濾波器的電路設計中，共模和差模兩種濾波元件對彼此干擾的濾除都會提供貢獻，而同一濾波元件也有可能對于電磁干擾信號抑制呈現(xiàn)相反作用，使得濾波器整體設計出現(xiàn)變數(shù)與變數(shù)之間相互影響的情況，其錯綜復雜的相互影響情況如圖所示。因此，在電路分析和選擇共模及差模濾波

37、元件值時要充分考慮到上述情況。巒童適厶堂亟堂位途塞圖濾波元件與干擾的相互影響共模和差模等效電路在進行電源濾波器電路結(jié)構(gòu)分析時，通常將共模干擾和差模干擾分開分析，分別計算各自等效電路的參數(shù)矩陣并得出對應的插入損耗。圖和圖分別給出了圖所示濾波器在理想狀態(tài)下的共模等效電路和差模等效電路。圖理想共模等效電路圖理想差模等效屯路其中是等效共模電感，是等效差模電感。工上口丘厶，（）（）（）三。是在繞制共模扼流圈時產(chǎn)生的不平衡漏電感，在濾除差模干擾信號時相當于差模電感的作用。一般情況下，工且厶由圖和式（）可求出共模等效電路的參數(shù)矩陣：、（）啦由圖和式（）可求出差模等效電路的參數(shù)矩陣：一國：）（心，彳，）口，一

38、二）（）、三干擾信號分析近年來，共模和差模干擾信號分離技術發(fā)展日漸成熟，可通過多種方法獲得共模和差模干擾信號各自的相量成分大小。常用的干擾信號分離方法有電流探棒（）、差模拒斥網(wǎng)絡（，）以及干擾分離器（）等。在進行傳導型電磁干擾測量時，必須使用傳輸線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（），它是電磁兼容檢測規(guī)定的線性阻抗固定網(wǎng)絡。其主要功能是提供待測物工作電源、隔絕外部干擾，并提供一個固定阻抗以攝取待測物干擾，利用頻譜分析儀讀取干擾的大小，測量電路如圖所示【】。當分別獲知干擾源共模和差模干擾大小時，便可利用共模和差模等效濾波電路，依據(jù)所需的衰減量，設計適當?shù)脑?。一贏塞適盔鱟亟圭堂焦迨童頻譜分析儀翻傳導型！測量裝置然麗，對每部不同的攀臺設備都進行談試，孺艏分拆葵傳導干擾特憔，設計合乎要求的濾波器，這在實際工程中恩然是不可能的。這時就需要設計人員根囂設備所要滿足的標準，自行設定濾波器需要達到的衰減量。事實土，根據(jù)越家標準中電源濾波器