0 引言
開關(guān)電源中功率開關(guān)器件的高速開關(guān)動(dòng)作(從幾十kHz到數(shù)MHz)，形成了EMI騷擾源,，在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾,，傳導(dǎo)干擾還會(huì)注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備,。為此,，國內(nèi)外也制定了許多標(biāo)準(zhǔn)來限制開關(guān)電源的干擾。
在美國和歐洲,，傳導(dǎo)噪聲是按FCC和VDE標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)和B級(jí)限制嚴(yán)格管理的,，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是全世界通用標(biāo)準(zhǔn)。開關(guān)電源的產(chǎn)品如果要通過EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),，往往需要綜合采用各種方法,，而大部分都需要增加濾波器。傳統(tǒng)的濾波器大多采用無源濾波器,，無源濾波器常常受到可用的電感,、電容的體積制約。因此,，很多國外學(xué)者對(duì)有源的EMI濾波器做了很多研究,，來試圖找到解決的辦法。本文主要是闡述了一種有源EMI濾波器方案,，分析了它減小傳導(dǎo)共模EMI的原理,，并給出了實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,，它需要的電感、電容的體積相對(duì)較小,，對(duì)高頻干擾提供足夠的衰減,。
1 傳導(dǎo)共模干擾的測(cè)量
以一個(gè)AC/DC半橋變換器為例，測(cè)量裝置接法如圖l所示,，電網(wǎng)供電是經(jīng)過一個(gè)電網(wǎng)阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN),，LISN的測(cè)量電壓送入分析裝置以分析干擾量,。LISN包含電阻、電感和電容,，相對(duì)于50Hz低頻信號(hào),，50μH電感相當(dāng)于短路，而O.1μF電容則相當(dāng)于開路,；而對(duì)于EMl噪聲頻率的信號(hào),，該電感則呈現(xiàn)高阻抗，而電容則呈現(xiàn)低阻抗,，從而是噪聲電流流過50Ω電阻,，可測(cè)得的其上電壓Vx、Vy值,，由傳統(tǒng)理論可以分析得出,，共模干擾電壓VCM與Vx、Vy的關(guān)系為
2 傳導(dǎo)干擾傳播途徑的分析
共模干擾噪聲源主要來自開關(guān)器件對(duì)地電容,，仍以上面的AC/DC半橋變換器為例,，MengJin等人通過理論實(shí)驗(yàn)論證得出了共模噪聲回路的一個(gè)模型。
實(shí)際電路中,，由于元器件等的寄生參數(shù)的影響,，比如電容元件的寄生電感，電感元件的寄生電容以及PCB布局,、布線的寄生參數(shù),，真實(shí)的共模噪聲回路是很難得出的。其中一個(gè)主要寄生參數(shù)是MOSFET與其連接的散熱器之間的電容Cp,，而散熱器從安全角度考慮通常都是連接到地的,，而且為了導(dǎo)熱，MOSFET與散熱器之間的絕緣墊片很薄,，這也使得Cp尤其大,，故認(rèn)為共模噪聲主要途徑是由交變電壓作用在對(duì)地的寄生電容上這個(gè)網(wǎng)路中傳播的。通過分析不難得知：當(dāng)VAB>V1+V2,，整流管D1,、D3是導(dǎo)通的，如圖2和圖3所示,，當(dāng)S1開通時(shí),，F(xiàn)點(diǎn)電位被箝位為Vc。通過R1,、C1．D1,、S1、Cp和R2、C2,、D3,、V1、Cp兩條回路對(duì)Cp充電,；當(dāng)S2開通時(shí),，F(xiàn)點(diǎn)被箝位為VE，Cp通過S2,、D3,、C2、R2,、Cp和S2,、V1、D1,、R1,、Cp進(jìn)行放電；當(dāng)VAB
3 共模有源濾波器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理
Shikoski J．提出了一種有源濾波器的原理拓?fù)淙鐖D4所示,，Vr是高頻噪聲干擾源,，通過ZSENSE感應(yīng)噪聲電流ir，并通過反饋輸出補(bǔ)償電流Air,，以此來抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的噪聲電流,，從而達(dá)到消除躁聲電流的目的。圖5為實(shí)驗(yàn)中的共模有源濾波器的基本原理圖,，它也是基于以上原理來設(shè)計(jì)的,。一般LISN測(cè)得的傳導(dǎo)干擾包含了共模和差模的EMI，在實(shí)際應(yīng)用中,，差模干擾較易濾除,，共模干擾往往成為傳導(dǎo)干擾的瓶頸，因此圖5中的輸入濾波器用數(shù)個(gè)O.47μF的X電容并聯(lián)在L,、N線兩端,，這樣可以基本濾掉差模干擾，在實(shí)驗(yàn)中著重共模EMl的抑制,。電流互感器LCM這里的作用是感應(yīng)共模電流,，它將高頻噪聲信號(hào)從電源端分離出來，并在RIN兩端產(chǎn)生高頻的電壓加在運(yùn)放兩端,。這里ig為被檢測(cè)到的共模干擾電流,，in為開關(guān)電源中的共模干擾源，運(yùn)放的作用是由輸出電壓通過電容C1,、電阻R3產(chǎn)生電流ic以補(bǔ)償in,。C1將濾波電路與主電路隔離，其作用是對(duì)主電路中直流和低頻的功率電流呈高阻抗,，而對(duì)噪聲的高頻信號(hào)呈低阻抗,。
4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
4.1 運(yùn)算放大器的選擇
在理想情況下,，通過補(bǔ)償ig=O，這需要ic=-in,，在實(shí)際中往往由于運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)不可能是無窮大,，而且從穩(wěn)定性考慮，高頻情況下對(duì)環(huán)路增益折中選擇,。另外需選用頻帶較寬,，響應(yīng)速度快，對(duì)輸入電壓中的共模電壓有較高的抑制并且能輸出較大電流(電流幅值約20mA/120dBμV)的運(yùn)放,，這里選擇運(yùn)放為TI公司的THS系列中如THS4001或者Fairchild公司的FHP3130,、FHP3230、FHP3430等,。
4.2 電流互感器的設(shè)計(jì)
這里電流互感器采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu),，選取原副邊匝比為l：N，其中原邊為一匝電源進(jìn)線,，這里需要電流互感器有一階高頻特性,，其低頻可等效為如圖6所示，可以知道其下限頻率為
式中：Ae為磁芯的有效截面積,；
ι為有效磁路長度,；
μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。
故要改善下限截止頻率,，可以增加副邊繞組,，增加磁芯有效截面積等來實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于上限截止頻率,，提高電流互感器高頻特性,，只有盡量減小互感器的寄生參數(shù)的影響，如為了消除原,、副邊繞組間寄生電容對(duì)電流互感器高頻特性的影響,，對(duì)原邊電流進(jìn)線可采用屏蔽設(shè)置。
4.3 C1的選擇
C1起到的是隔離直流偏置電源與主電路回路的作用,，這里選擇Yl型電容,。
5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)以一個(gè)半橋變換電路作為被測(cè)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為全屏蔽實(shí)驗(yàn)室,。實(shí)驗(yàn)所用儀器為一臺(tái)LISN和一臺(tái)SCR3501型電磁兼容測(cè)量分析儀,。被測(cè)物距地面高度為0.8 m，距檢測(cè)裝置LISN水平距離O.8 m,，所有裝置的外殼均可靠接大地,。測(cè)得被測(cè)對(duì)象的傳導(dǎo)FMI頻譜如圖7、圖8,、圖9所示,，均采用峰值檢測(cè)頻譜圖中的兩條準(zhǔn)線,，上面一條為歐盟傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)EN55022B，下面一條線為與之相差lOdB表示裕量,。圖7為無任何EMI濾波措施時(shí)裝置的頻譜,，噪聲電流直接經(jīng)分布電容流回交流電源側(cè)，因此超標(biāo)嚴(yán)重,；圖8為增加了有源濾波裝置后共模噪聲測(cè)量頻譜,，在全頻段范圍內(nèi)均有大幅衰減，在較低頻段(150kHz～2MHz)抑制略有不足,，圖8中標(biāo)示在210 kHz這個(gè)點(diǎn)上仍然超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(該點(diǎn)處約64dB)約3.5 dB。圖9為有源與無源濾波電路相結(jié)合后所測(cè)得的噪聲頻譜,，在有源濾波的基礎(chǔ)上還增加了一個(gè)小的共模電感并增加了兩個(gè)Y電容,，此時(shí)150kHa~1 MHz上的噪聲明顯衰減，全頻帶范圍內(nèi)噪聲值均在下面一條準(zhǔn)線以下,，因此至少還有10dB裕量,。
6 結(jié)語
本文闡述了共模傳導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生及其流動(dòng)的回路以及測(cè)量的原理，并以此對(duì)有源濾波器的進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì),，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路,，通過實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論,。
(1)這種有源EMI濾波器能夠?qū)MI的共模干擾起到類似無源元件構(gòu)成的濾波器的濾波作用，通過實(shí)驗(yàn)證明,，濾波器工作性能是穩(wěn)定的,，配合少量無源元件可以達(dá)到EMI檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)。
(2)與傳統(tǒng)的EMI濾波器相比較,，該有源濾波器易于集成,，這也是一種趨勢(shì)，現(xiàn)在已經(jīng)有用于DC/DC方面的集成有源EMI濾波器的成品,，如PIC0R公司的QPI-3,，采用封裝為1.0”×1.O”×O.2”SIP，能有效減少濾波器的體積和高度,，且在很大程度上不依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),，這種利于集成和以實(shí)用為主導(dǎo)的技術(shù)思想也是開關(guān)電源EMI抑制手段的一種新思路。