考虑干扰源阻抗的滤波器结构分析与设计外文翻译资料

 2022-09-18 17:38:35

EMI滤波器设计

第三部分：优化性能的滤波器拓扑结构的选择

vuttipon tarateeraseth会员，IEEE，电机系，

诗纳卡琳威洛大学，泰国。

电子信箱：vuttipon@ieee.org

摘要：在前两部分的电磁干扰（EMI）滤波器设计系列，描述了传导电磁干扰的产生机制和一种开关电源的噪声源阻抗的测量方法。在这最后一部分，选择的过滤器拓扑结构的最佳性能进行了解释。具有良好的精度的幅度和相位的终端阻抗，电磁干扰滤波器可以设计系统地给出最佳性能。

一、引言

为满足电磁干扰的限制，无源EMI滤波器仍广泛的应用于开关模式电源（SMPS）。然而，一个具有挑战性的任务是用最小的猜测设计EMI滤波器系统。一些文章描述了EMI滤波器的系统设计方法[ 1 ]，[ 2 ]。两者的主要区别是：在[ 2 ]噪声源和在EMI滤波器设计过程中考虑了负载阻抗，在[ 1 ]中并没有考虑。没有噪声源在设计过程中的负载阻抗，它会导致过度设计EMI滤波器性能，作为过滤器的性能好坏取决于于终端阻抗[ 3 ]-[ 5 ] 。在这最后一部分的EMI滤波器设计系列，一个系统和有效的设计过程对于电源线EMI滤波器用于开关电源应用的描述[ 7 ] - [ 8 ]。建议的程序验证和证明通过实际设计实例。

二.EMI滤波器等效电路

一种典型的通用滤波器拓扑结构的电力滤波器拓扑结构，它由共模扼流圈（CM扼流圈），差分共模电感（DM扼流圈），X电容器和Y电容器，如图1所示。应该指出的是，最常见的电源供应过滤器的拓扑结构是一个通用的滤波器拓扑结构的一些版本[ 9 ]。EMI滤波器的主要目标是抑制传导DM和由SMPS产生并表示为图电流ID与IC的CM排放如图1。噪声电流测量在LISN和表示为 I′D和 I′C应该比传导的EMI极限线低。像其他无源滤波器电路，无源EMI过滤器是由无源元件,特定类型的电阻器，电感器和电容器组成。这些组件和等效电路的更多细节在本节中描述的EMI过滤器进行了说明。

图1：电源滤波器的典型的通用滤波器拓扑结构

图2：基本过滤器配置。 （a）C-滤波器; （b）L-滤波器; （c）CL-滤波器; （d）LC滤波器; （e）对过滤器; （f）T型过滤器

即使EMI滤波器电路是多种多样的，它们是由等效的DM滤波器和等效的CM滤波器是基于基本的滤波电路，如图2所示，即C-滤波器，L-滤波器，LC-滤波器，CL-滤波器，pi;-过滤器和T-过滤器[10]，[11]。基本的滤波电路提供不同的插入损耗率（IL）：C和L滤波器是20db/十倍频，CL和LC滤波器是40分贝/十倍频，pi;-滤波器和T-滤波器是60分贝/十倍频。然而，过滤器中的插入损耗率（IL）强烈地依赖于在过滤器两端的终端阻抗。如果两端的终端阻抗不恰当，过滤器的性能将受到显著的影响。

C过滤器将具有20 dB /十倍频的IL率与高阻抗的系统，但如果是在一个低阻抗系统中使用是无效的。另一方面，L形滤波器是适用于低阻抗系统而不是一个高阻抗的系统。为了获得更高的IL率，L，LC，pi;和T形过滤器需要被使用。再次，以防止过滤器性能的无效，过滤器配置应在两端选择适当的连接阻抗。基本过滤器配置适当的阻抗总结如图2（a）-（f）所示。

图3示出一个典型的EMI滤波器。它由两个X电容器（CX）的线路和中性导线之间的连接的，两个Y电容器（CY）连接线路，地线，零线，地线，共模扼流圈（LC）任意两个之间。放电电阻仅用于放电的（CX），不影响滤波器的噪声抑制性能;因此，它可以被忽略。给定的EMI滤波器如图3所示，可转换为图4所示的示意图（a）。图4（a）可以进一步转换为等效的DM和CM电路如图4（b）和（c）。

由于DM和CM噪声电流方向,CM共模扼流圈和Y电容器（CY1和CY2）影响CM和DM的排放而X电容器（CX1和CX2）影响DM噪声[ 12 ]。当CM共模噪声通过EMI滤波器传播时，共模噪声被等效的共模滤波器限制。因为CY被对于噪声源等效共模滤波器是一个CL结构的滤波器如图4（c）所示。同时，DM噪声是由差模滤波器消除，这是一个pi;滤波器如图4（b）。

图3：一个典型的EMI滤波器结构。

等效共模滤波器包括共模电感（LCM）在LISN侧共模扼流圈和平行的CY1和CY2（CYT）在开关电源侧如图4所示（C）。等效的DM滤波器造成的CM的两个绕组的总漏感扼流圈（LDM= LLK，P LLK，S），在LISN的CX2和在SMPS中的CXT如图4（b）。作为DM噪声通过Y型电容器串联，CXT是CX1的并联CY1和CY2的串联组合。然而，这也是可能的，增加对DM噪声还原通过将与CM扼流圈系列对DM扼流圈（LD）;在这种情况下，在LDM是总漏感和LD的总和。

三、系统的EMI滤波器的设计

有许多因素会影响EMI滤波器的性能如终端阻抗[ 2 ]，[ 11 ]，[ 12 ]布局，EMI滤波器的元件[ 13 ]，和EMI滤波器与LISN [ 14 ] - [ 15 ]的连接。此外，如果一个开关电源的DM 输入阻抗大于EMI滤波器的DM的连接阻抗[ 16 ]，开关电源在EMI滤波器的使用可能会扰乱整个系统的稳定性。

在通信系统和微波应用中使用的常规滤光器的设计过程是通过假设开发终止源和负载阻抗是50Omega;匹配[12]，[17]。这个假设不能直接适用于开关电源设计的EMI滤波器，其中实际噪声源和终止负载阻抗与50Omega;相差较远。在实践中，EMI滤波器是由噪声源阻抗和由终止负载阻抗[4]-[5]，[18]影响的，并假定50Omega;噪声源的过滤器的设计和终端阻抗导致的EMI滤波器性能偏离实际运行条件。

在本节中，系统对EMI滤波器设计过程进行说明并且其验证由下述设计实例证明。作为一个例子，EMI滤波器被设计用于开关电源（VTM22WB，15W， 12VDC /0.75A，-12Vdc/0.5A）。开关电源供电是通过下面的CISPR16-1标准要求的LISN（电度量MIL5-25/ 2）。开关电源的输出端连接到一个在其满负荷状态下电阻性负载。为了分离总噪声成DM和CM元件，LISN的输出端口被连接到噪声判别网络[19]。在频谱分析仪监测（HP8595 E，在9 kHz- 6.5千兆赫）DM和CM干扰。

如图5所示，EMI滤波器设计过程可以总结如下。首先，SMPS的DM和CM无干扰EMI滤波器进行测量;所需的插入损耗（ILDM，req和ILCM，req）可以通过减去不带过滤器排放限值确定测得的DM和CM噪声水平。接着，LISN的DM和CM阻抗（ZLISN，DM和ZLISN，CM）和的它的实际运行条件下SMPS（ZSMPS，DM和ZSMPS，CM）必须加以考虑。如图EMI滤波器设计的第二部分系列，LISN和SMPS阻抗的幅度和相位提取和比较;其结果是，在合适的等效DM和EMI滤波器的CM部分可以选择。一旦所有需要的参数是已知的，等效的DM和CM滤波器元件可以使用IL公式（ILDM，估计和ILCM，估计）来确定。组装该EMI滤波器原型，实际插入损耗（ILDM，实际和ILCM，实际）使用所设计的EMI元件的测量阻抗重新计算。

此外，电力电缆之间的LISN和EMI滤波器也可以降低EMI滤波器的高频性能[ 14 ]-[ 15 ]。过滤器的共振和过滤器的电容器和噪声源的阻抗之间的相互作用，可以降低电磁干扰之间的相互作用滤除高频性能，但也可能导致在SMPS一个稳定性的问题。在这样的情况下，该过滤器必须被减弱[12]，[26].建立在DM和CM阻抗的知识上，提取以前在EMI滤波器设计的LISN和SMPS，第二部分逐步提出的过程来设计EMI滤波器在第四节中给出。最后，不正确的效果过滤器配置到EMI滤波器性能是在第五节验证。

图4：典型的EMI滤波器的等效电路：（a）所示的示意图 3;（b）相当于DM滤波器;（c），相当于CM过滤器

  1. 实现1：实现SMPS的EMI滤波器设计程序

所要进行的电磁干扰限制是由SMPS是CISPR 22 B类限制[ 27 ]。该LISN通过这个标准只能测量总规定同时包含了DM的传导发射和CM组件。因此，判别网络需要到DM和CM组分分离从列表中，以便它们可以被分别测量[19]。

  1. 确定所需的插入损耗

开关电源的传导发射无滤波器单独用LISN测量。测量设置显示在图 6.地线和中性到地面的传导发射示于图7（a）和（b）。 明显，开关电源不能满足要求的EMI没有限制的EMI滤波器。随着鉴别网络的提出[19]，DM和的CM进行无过滤器的开关电源的排放被测量并示于图7（c）和（d）。因此，所需要的DM和CM滤波器的插入损耗可以通过减去从图中给出的测量的DM和CM的排放量求出示于图7（e）和（f）。

  1. 基于终端阻抗选择DM/CM滤波器的拓扑结构

下一步是选择合适的电磁干扰滤波器拓扑结构。从CM和DM阻抗的SMPW和LISN之间的比较在EMI滤波器的设计系列的第二部分，可以看出，在频率范围内测量开关电源阻抗DM的幅值高于LISN的阻抗几十欧姆到几百欧姆。CM阻抗的比较表明，在SMPS中的CM的阻抗比LISN一个比所感兴趣的频率范围内的大得多。有了这个信息，正确EMI滤波电路可以选择。由于电容器，是有效的，必须被放置在平行于高阻抗和串联电感连接的低阻抗[3]， CL-滤波器配置两种等效的DM和CM滤波器被选择在X电容器和Y电容器在SMPS侧，CM扼流圈处于LISN侧，示于图8（a）。

EMI滤波器由一个共模扼流圈（LC），一个DM电容（CX），以及两个CM电容（CY1和CY2）的。由于漏电感LC，在线路和中性线的2个DM电感中，该CM扼流圈也加倍示于图8（a）。导致两个独立的电路，示于图8（b）和（c）。图8（b）表示过滤器的DM-抑制部LDM，这是由于LC对DM电感，并且通过CXT，它代表了有效的DM电容器（CY1和CY2串联组成然后在与CX并联）。图8（c）展示了滤波器的CM-抑制部LCM，这是由于LC和CYT产生的CM电感，这是有效的CM电容器（CY1和CY2并联）。

由图8（b）和（c），DM和CM滤波器插入损耗的表达式重写为

图6：DM和CM噪声测量示意图没有EMI滤波器

  1. CM滤波器设计

等效的CM滤波器设计，如图所示。图8（c）中，有两个未知参数是CM扼流圈的CM电感和Y电容器的电容。由于EMI滤波器的尺寸强烈依赖于CM扼流圈尺寸，Y电容器电容必须选择尽可能大，以尽量减少CM电感值。该Y电容通常是由安全要求限制，例如EN 60335-1 I类便携式，因此每相250伏50赫兹电源[ 10 ]接地的最大电容不能超过4700 pF。因此，CY1和CY2被选择为1000 pF的每个。代入已知的CM LISN和SMPS阻抗和所选择的CM电容器（2），并假设该过滤元件是理想的，则以这样的方式选择所需的CM电感在ILCM,估计与ILCM，实际之间最小是大约2毫亨。因此，2个1000 pF的Y电容器和2 mH的共模扼流圈（NEC / TOKIN SC-02-10A1）被选择为CM过滤器。

  1. DM滤波器的设计

一旦CM扼流圈和CM电容器被选择时，等效DM滤波器设计被寻址。等效的DM滤波器，示于图 8（b）中，有两个未知参数，即DM电感和X电容器电容。因为CM扼流圈被选择，其DM电感（漏感）约为17.6mu;H。有了这个信息，仅在X电容器电容必须确定。

对于X型电容器中，由于不存在安全问题，则该值可以选择尽可能大但较大的电容通常表现出低自谐振频率（SRF）和高浪涌电流[29]。代已知的DM LISN和SMPS阻抗和所测量的在CM扼流圈分为（1），所需的X电容器电容以这样的方式选定的DM电感在ILCM,估计与ILCM，实际之间最小化：这将导致约1.5mu;F的电容值。

  1. 实际的插入损耗和验证

构建EMI滤波器之前，它的实际性能必须评估，并需要考虑的滤波器

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