降低了輸入電流紋波系數的濾波器PSpice設計

引言

開關電源會產生諧波含量豐富的開關噪聲，從而對共用同一電源的其他設備產生干擾。這在汽車應用、長距離通信、工業測量等場合特別明顯。為了消除這干擾，常需在輸入電源和開關變換器間加入EMI濾波器。傳統的EMI濾波器設計方法需要進行大量的計算，以確定合適的電抗元件參數，設計過程較繁瑣。

PSpice是業界公認的優秀仿真軟件，它能對電路進行參數掃描和優化，通過多次反復計算，得出針對某變量的性能曲線，由性能曲線即可找到最佳參數值。因此，針對EMI濾波器設計需要大量、重復計算這一特點，使用Pspice輔助設計有助于優化電路參數，提高設計效率。

1 EMI濾波器的設計步驟

適用于開關電源的EMI濾波器通常應滿足以下幾個要求：

（1）反射紋波衰減特性：EMI濾波器提供的衰減必須能使輸入電源的電流紋波系數達到要求水平；

（2）阻抗特性：在變換器工作的頻率范圍內，變換器的輸入阻抗必須遠大于濾波器的輸出阻抗，否則可能導致振蕩；

（3）上電特性：在階躍輸入的情況下易產生浪涌電流。由于應力及熔斷器定額的原因，EMI濾波器應具有一定的吸收浪涌電流的能力。

圖1顯示了應用于開關電源的EMI濾波器的設計流程。下面結合實例闡述使用PSpice設計的具體方法。假定有一Buck變換器（閉環），輸入電壓Vin=100～120VDC，輸出功率P=2．10 W，電源效率為93．75％，工作頻率f=25 kHz。要求設計一個二階EMI濾波器，使流過電源Vin的電流紋波小于20 mA。根據要求，采用PSpice輔助設計的二階EMI濾波器的設計步驟如下：

（1）計算開關電源的最小輸入阻抗

在閉環系統中，不論電路工作在何種狀態，反饋環路總是努力去保持電路的輸出功率恒定。因此，從輸入端看，開關變換器就像一個負電阻RN。當輸入電壓變化時，負電阻阻值發生變化。若在變換器前端加一EMI濾波器，由于負阻的影響，可能導致系統振蕩。根據Middlebr ook的理論，若濾波器的輸出阻抗Zfilter遠小于RN，系統不發生振蕩。

采用PSpice中模擬行為模型GVALUE建立負阻模型，使用網絡傳遞函數分析語句，TF計算最小RN值。相應的SPICE語句為：GN 10 Value={75／Vin}?？傻蒙鲜鲩_關電源的最小輸入阻抗RN=-39 Ω。

（2）計算輸入電流的基波幅值和所需衰減

使用Pspice計算基波幅值有兩種方法：

①通過．FOUR語句計算輸入電流的基波分量；

②用電流探針測出電流波形，在Probe中直接進行快速傅里葉變換（FFT），使用Toggle Cursor功能找出基波峰值點。

上述兩種方法的結果相同，得到的基波幅值I1m=3．15 A，有效值I1rms=2．23 A。

若輸入電流波形未知，可預估其形狀，然后找出此類電流波形基波可能取得的最大值。具體做法為：在PSpice 中選用合適模型建立相應的激勵源，通過參數掃描分析，PARAM求得最大基波幅值。

當I1rms已知時，可求出所需的衰減系數為（用分貝表示）：A=45 dB。

（3）計算LC元件值

一般的二階EMI濾波器的結構如圖2所示，其中R1，R2為電感電容的等效串聯電阻，開關變換器等效為負電阻RN。EMI濾波器的轉折頻率f0與衰減系數的關系為：

由上式可得所需EMI濾波器的轉折頻率應小于1．34kHz。為了獲得較好的濾波效果，取L=200μH，C=280 μF。由器件參數表查得等效串聯電阻值R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。

（4）濾波器的振蕩特性

檢驗濾波器是否振蕩的方法有兩種：

①直接進行瞬態分析，TRAN，查看RN兩端電壓波形是否產生振蕩；

②計算濾波器的交流輸出阻抗。操作方法為：將RN替換為一個幅值為1 A的交流電流源，設定交流掃描區間為1～300kHz，每十倍頻取100個點。掃描過程中，PSpice將Vin視為短路。由于電流源的幅值為1 A，則電流源兩端的電壓值與濾波器輸出阻抗在數值上相同。掃描所得的電壓曲線可看做EMI濾波器的輸出阻抗曲線。使用Toggle cursor功能找到最大阻抗值Zfilter。若Zfilter《 采用方法①進行瞬態分析，仿真時間為15 ms。結果顯示，t》9 ms后，輸出電壓達到穩定狀態，即系統無振蕩。

采用方法②得到的阻抗曲線顯示，當開關變換器的工作頻率為676．083 Hz時，濾波器取得最大輸出阻抗，阻抗值4．53 Ω遠小于RN最小值39 Ω，即系統不發生振蕩。

若選擇的元件參數不合適導致系統振蕩，解決的辦法通常有兩種：

①重新選擇L，C值，再次檢驗，直到選擇的參數使電路穩定。

②增大EMI濾波器的阻尼，抑制振蕩。具體方法：在RN兩端并聯一個RC串聯電路，一般取Cdamp=（3～5）C，Rdamp=Zfilter。

上述2種方法都需要多次仿真以確定最佳參數。

在Pspice中綜合使用參數掃描和性能分析的方法，可很快找到最佳參數值。

（5）濾波器的上電特性

在許多應用中，輸入電壓是以階躍的形式加載的，比如開關的合閘、繼電器的閉合等，在這類施加電壓的過程中，階躍電壓往往會造成較大的浪涌電流。如不加以限制，此電流有可能損壞器件。EMI濾波器具有吸收浪涌電流的功能，通?？稍跒V波器前端施加一個從0 V躍變到最大輸入電壓的階躍輸入，并監測濾波器吸收的電流，以此來評估濾波器的上電特性。

如圖2所示，在電路中加入時域開關SW_tclose來模擬階躍輸入。設置開關閉合時刻Tc=1 ms，則相應的階躍輸入為u（t）=Vin·δ（t-Tc）。設置仿真時間為20 ms，最大步長為1μs，測量流過電感的電流IL及流過開關變換器的電流IRN。結果表明，IL_max=9．77 A，IRN_max=16．7 A。根據手冊查得所用電感的最大飽和電流IL_sat及開關器件的最大電流IIGBT。因為IL_max 若選擇的元件值造成浪涌電流較大，說明濾波器的阻尼較小，可通過增大濾波器阻尼解決這一問題。具體做法可參照步驟（4）。

2 實驗結果

濾波器參數為L=200μH，C=280μF，R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。測得加入濾波器前后流過Vin的電流紋波波形如圖3所示。

由圖3可知，加入濾波器后Iin的紋波顯著減小。測得未加入濾波器時Iin基波電流有效值為2．23 A，加入后的有效值為19．1 5 mA。由結果可知，設計的EMI濾波器符合衰減要求。

3 結論

傳統的EMI濾波器設計方法涉及大量計算，PSpice可彌補這一不足。采用PSpice輔助設計不但減輕了設計工作量，還能通過合理的優化使電路參數更精確、可靠；使用PSpice仿真還能對EMI濾波器的性能進行多方面的預測，在設計前期發現可能存在的問題并及時解決；另外，上述方法同樣適用于高階EMI濾波器的設計。