|
1 開(kāi)關(guān)電源特點(diǎn)及噪聲產(chǎn)生原因 隨著(zhù)電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設備種類(lèi)日益增多，而任何電子設備都離不開(kāi)穩定可靠的電源，因此對電源的要求也越來(lái)越高。開(kāi)關(guān)電源以其高效率、低發(fā)熱量、穩定性好、體積小、重量輕、利于環(huán)境保護等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)取得快速發(fā)展，應用領(lǐng)域不斷擴大。開(kāi)關(guān)電源工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身就會(huì )對供電設備產(chǎn)生干擾，危害其正常工作；而外部干擾同樣會(huì )影響其正常工作。開(kāi)關(guān)電源干擾主要來(lái)源于工頻電流的整流波形和開(kāi)關(guān)操作波形。這些波形的電流泄漏到輸入部位就成為傳導噪聲和輻射噪聲，泄漏到輸出部位就形成了波紋問(wèn)題�？紤]到電磁兼容性的有關(guān)要求，應采用EMI電源濾波器來(lái)抑制開(kāi)關(guān)電源上的干擾。文中主要研究的是開(kāi)關(guān)電源輸入端的EMI濾波器。 2 EMI濾波器的結構 開(kāi)關(guān)電源輸入端采用的EMI濾波器是一種雙向濾波器，是由電容和電感構成的低通濾波器，既能抑制從交流電源線(xiàn)上引入的外部電磁干擾，還可以避免本身設備向外部發(fā)出噪聲干擾。開(kāi)關(guān)電源的干擾分為差模干擾和共模干擾，在線(xiàn)路中的傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來(lái)表示。差模干擾是火線(xiàn)與零線(xiàn)之間產(chǎn)生的干擾，共模干擾是火線(xiàn)或零線(xiàn)與地線(xiàn)之間產(chǎn)生的干擾。抑制差模干擾信號和共模干擾信號普遍有效的方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入電路中加裝電磁干擾濾波器。EMI濾波器的電路結構包括共模扼流圈(共模電感)L，差模電容Cx和共模電容Cy。共模扼流圈是在一個(gè)磁環(huán)(閉磁路)的上下兩個(gè)半環(huán)上，分別繞制相同匝數但繞向相反的線(xiàn)圈。兩個(gè)線(xiàn)圈的磁通方向一致，共模干擾出現時(shí)，總電感迅速增大產(chǎn)生很大的感抗，從而可以抑制共模干擾，而對差模干擾不起作用。為了更好地抑制共模噪聲，共模扼流圈應選用磁導率高，高頻性能好的磁芯。共模扼流圈的電感值與額定電流有關(guān)。差模電容Cx通常選用金屬膜電容，取值范圍一般在0．1～1μF。Cy用于抑制較高頻率的共模干擾信號，取值范圍一般為2200～6800pF。常選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于接地，共模電容Cy上會(huì )產(chǎn)生漏電流Ii-d。因為漏電流會(huì )對人體安全造成傷害，所以漏電流應盡量小，通常＜1．0mA。共模電容取值與漏電流大小有關(guān)，所以不宜過(guò)大，取值范圍一般為2200～4700pF。R為Cx的泄放電阻。電源濾波器的性能很大程度上取決于其端阻抗，根據信號傳輸理論，濾波器輸入端與電源端的端接、濾波器輸出端與負載端的端接應遵循阻抗極大不匹配原則。因此，濾波器設計時(shí)應遵循：(1)源內阻是高阻(低阻)的，濾波器輸入阻抗就應該是低阻(高阻)；(2)負載是高阻(低阻)的，則濾波器輸出阻抗就應該是低阻(高阻)。對EMI信號來(lái)說(shuō)，電感是高阻，電容是低阻，則有圖1中的4種濾波器選用類(lèi)型。 電源濾波器一般用來(lái)抑制30MHz以下頻率范圍的噪音，但對30MHz以上的輻射發(fā)射干擾也有一定的抑制作用。根據開(kāi)關(guān)電源共模、差模干擾的特點(diǎn)�？梢园锤蓴_的分布大概劃分為3個(gè)頻段：O．15～0．5MHz差模干擾為主；0．5～5MHz差模、共模干擾共存；5～30MHz共模干擾為主。 3 插入損耗 插入損耗是評價(jià)濾波器性能的主要指標，它是頻率的函數。插入損耗的定義為，沒(méi)有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸到負載的功率P1和接入濾波器后噪聲源傳輸到負載的功率P2之比，用dB表示。插入損耗越大，說(shuō)明濾波器抑制干擾的能力越強。濾波器接入前后的電路圖，如圖3(a)和圖3(b)所示。濾波器的插入損耗由式(1)表示。 4 三端電容器 在高頻線(xiàn)路中，因為一般電容器的引線(xiàn)具有電感分量，所以影響了其高頻特性。而三端電容器在結構上可以做到與電容器串聯(lián)的剩余電感分量很小，因此其插入損耗特性?xún)?yōu)于兩端電容器，從而改善了電容器的高頻特性。三端電容器有引線(xiàn)式和片狀式兩種。 6 Pspice仿真 (1)使用三端電容的電路的插損與以往電路插損的比較。 取差模電容Cx為0．1μF，共模電容Cy為2200pF，共模電感L取8mH。三端電容的等效串聯(lián)電感ESL取0．36nH。在50Ω／50ΩQ系統中分別對一般結構的EMI濾波器和使用了三端電容器的EMI濾波器的插入損耗進(jìn)行PSpice仿真。如圖7所示，EMI濾波器在使用三端電容時(shí)，諧振點(diǎn)之后的插損效果明顯好于在濾波器中使用兩端電容的插損。提高了濾波器在高頻段的性能。 (2)不同Cy值，固定ESL。 在使用三端電容的濾波器電路中，輸入阻抗和輸出阻抗都取50時(shí)，分別取共模電容Cy為4700pF，3300pF和2200pF，其他參數不變，觀(guān)察共模電容Cy變化時(shí)對插入損耗的影響。通過(guò)圖8的仿真結果看出，隨著(zhù)共模電容的增大，在高頻段插入損耗有所提高，并且濾波器諧振點(diǎn)降低；而在低頻段基本沒(méi)有變化。因此可以通過(guò)選擇較大的共模電容來(lái)提高濾波器高頻段的插入損耗。由于共模電容需要接地，有漏電流，Iid的存在，對人身安全存在威脅。而共模電容越大，漏電流越大，所以選擇共模電容時(shí)需要在漏電流滿(mǎn)足安全條件的情況下取值。 (3)固定Cy值，不同ESL。 考察三端電容器與信號線(xiàn)串聯(lián)的等效串聯(lián)電感ESL對插入損耗的影響。取共模電容Cy為3300pF，取ESL分別為0．03nH，0．36nH和0．72nH，其他參數值不變。從圖9的仿真結果可以看出，隨著(zhù)ESL降低，諧振點(diǎn)提高，諧振點(diǎn)之后的插入損耗下降。 7 結束語(yǔ) 在一般性能EMI濾波器的基礎上，使用三端電容器作為共模電容對原濾波器加以改進(jìn)，仿真結果表明，在高頻段有較好的插損效果。由于實(shí)際使用時(shí)設備的阻抗大小以及在高頻時(shí)元件的寄生效應均會(huì )對EMI濾波器的插損產(chǎn)生影響，因此還需根據實(shí)際情況對濾波器進(jìn)行具體優(yōu)化設計。 |
