文档介绍：开关电源输入滤波电路的优化设计研究
摘要:原有的输入滤波电路结构复杂,所用元器件较多,却还不能达到EMC指标要求。为此,本文提出了一个简单实用的拓扑结构,并详细介绍了输入滤波电路的设计方法,理论分析和测试结果证明了该方法的可行性和实用性。
关键词:电磁干扰电磁兼容输入滤波电路开关电源
一、引言
开关电源是通讯系统的动力之源,已在通信领域中达到广泛应用。但由于其高频率、宽频带和大功率,它自身就是一个强大的电磁干扰(EMI)源,严重时会导致周围的电子设备功能紊乱,使通讯系统传输数据错误、出现异常的停机和报警等,将造成不可弥补的后果;同时,开关电源本身也置身于周围电磁环境中,对周围的电磁干扰也很敏感(EMS),如果没有很好的抗电磁干扰能力,它也就不可能正常工作。因此,营造一种良好的电磁兼容(EMC)环境,是确保电子设备正常工作的前提,且也成为电子产品设计者的重要考虑因素。
不仅如此,国内外已有多种法规和标准对电子产品的电磁干扰限值和灵敏度作出规定和限制。欧共体有关EMC的委员会于92年制定了相关法令,96年开始生效,法令规定不符合EMC标准的产品不得进入市场,同时将EMC认证和安规认证作为产品认证的首要条件。我国信息产业部也多次召开电磁兼容标准论证会,并作出规定:2001年1月1日以后进入市场的产品必须有EMC标志。可见,电磁兼容(EMC)认证已是产品顺利进入市场并走出国门最基本的要求。
但是,由于以前设计的电源产品,对EMC重视不够,致使所有的电源产品几乎均超标,已经影响到公司电源产品的销售,因此,解决这一问题已是迫在眉睫。而影响电源EMC超标的主要原因就是:输入滤波电路的设计不合理。到目前为止,还没有介绍电源输入滤波电路设计方法的报道。本文首次对电源输入滤波电路设计方法进行全面、详细的讨论,提出了一套简单实用的滤波电路,并应用到我司的电源产品中。给出的测试结果和理论分析证明了该设计方法的实用性和可行性。
二、输入滤波电路的拓扑结构优化设计
输入电路中主要包含五个元件:共模、差模电感,X、Y电容,放电电阻。输入滤波电路的设计,事实
上就是将这些元件如何进行组合的问题,但在进行组合时必须遵循一定的原则。
1、对输入滤波电路的要求
双向滤波功能。
对电网开关整流器及开关整流器电网的干扰信号均有很好的滤波效果。
能抑制共模和差模干扰。
能抑制相线与相线、相线与中线之间的差模干扰及相线、中线与大地之间的共模干扰。工程设计中重点考虑共模干扰的抑制。为了抑制差模和共模干扰,通常的在滤波电路中同时包含有差模和共模电感,但基于以下原因差模电感可去掉:
(1) 共模干扰的影响更大,而差模干扰的影响要小得多。一方面同样程度的共模和差模干扰,共模干扰所产生的电磁场辐射高出差模3—4个量级;另一方面,共模干扰信号通过机壳或地阻抗的传导和耦合对其它的电源和系统也会产生干扰。
(2) 共模电感中含有差模的成分。共模电感存在漏感且其两线圈不可能完全对称,所以其本身就可起到差模电感的作用,能抑制电路中的差模干扰。
(3) 电容的选择有利于抑制差模干扰。差模(X)电容通常比共模(Y)电容大得多。
满足最大阻抗失配原则。这里的阻抗是指相对工频而言频率较高的干扰信号来说的。对输入滤波电路而言电网相当于源,而开关整流器则相当于负载。所谓阻抗最大失配就是:当源或负载对高频干扰信号的等效内阻为低阻时,输入滤波器应呈高阻;反之则应呈低阻。
通常电网是一电压源,而开关整流器本身从输入端看进去,就共模干扰信号而言等效于一个电容和电流源的并联,因此,对高频信号二者均属于低阻。
工频等效阻抗尽可能低,高频(高于某一截止频率的信号)等效阻抗尽可能高(插入损耗尽可能大)。频段范围为几十KHZ~几百MHZ。这一点主要取决于元器件、原材料的选择及其参数。
2、优化的输入滤波电路
根据上面的要求,,从图中可看出:与传统的输入滤波电路相比,该滤波电路去掉了差模电感,滤波器的输入输出也不需再加共模电容。
图1. 优化的输入滤波电路
上图中:R1为放电电阻;L1、L3为低频共模电感;L2为高频共模电感;CX1、CX4为X电容;CY1—CY4 为Y电容。
三、输入滤波电路元器件选择和参数计算
滤波电路的拓扑结构确定以后,接下来的问题就是元器件的选择及其参数的计算,下面将以50A单体为例,详细介绍元器件和原材料的选定原则、参数计算方法及电感的绕制工艺要求等。
1. 放电电阻
放电电阻R1的选择原则是:在容许的情况下,阻值越小越好,以给X电容容量的选择留下足够的空间。
R1的选择还应考虑耐压(通常选金属氧化膜电阻,)和功耗()。假设,所