作者：顧瑞超，包曄峰，薛 猛
0 引言
開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生諧波含量豐富的開關(guān)噪聲，從而對(duì)共用同一電源的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。這在汽車應(yīng)用、長(zhǎng)距離通信、工業(yè)測(cè)量等場(chǎng)合特別明顯。為了消除這干擾，常需在輸入電源和開關(guān)變換器間加入EMI濾波器。傳統(tǒng)的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)行大量的計(jì)算，以確定合適的電抗元件參數(shù)，設(shè)計(jì)過程較繁瑣。
PSpice是業(yè)界公認(rèn)的優(yōu)秀仿真軟件，它能對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)掃描和優(yōu)化，通過多次反復(fù)計(jì)算，得出針對(duì)某變量的性能曲線，由性能曲線即可找到最佳參數(shù)值。因此，針對(duì)EMI濾波器設(shè)計(jì)需要大量、重復(fù)計(jì)算這一特點(diǎn)，使用Pspice輔助設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化電路參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。
1 EMI濾波器的設(shè)計(jì)步驟
適用于開關(guān)電源的EMI濾波器通常應(yīng)滿足以下幾個(gè)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(shù)達(dá)到要求水平；
(2)阻抗特性：在變換器工作的頻率范圍內(nèi)，變換器的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于濾波器的輸出阻抗，否則可能導(dǎo)致振蕩；
(3)上電特性：在階躍輸入的情況下易產(chǎn)生浪涌電流。由于應(yīng)力及熔斷器定額的原因，EMI濾波器應(yīng)具有一定的吸收浪涌電流的能力。
圖1顯示了應(yīng)用于開關(guān)電源的EMI濾波器的設(shè)計(jì)流程。下面結(jié)合實(shí)例闡述使用PSpice設(shè)計(jì)的具體方法。假定有一Buck變換器(閉環(huán))，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(shè)計(jì)一個(gè)二階EMI濾波器，使流過電源Vin的電流紋波小于20 mA。根據(jù)要求，采用PSpice輔助設(shè)計(jì)的二階EMI濾波器的設(shè)計(jì)步驟如下：
(1)計(jì)算開關(guān)電源的最小輸入阻抗
在閉環(huán)系統(tǒng)中，不論電路工作在何種狀態(tài)，反饋環(huán)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(guān)變換器就像一個(gè)負(fù)電阻RN。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，負(fù)電阻阻值發(fā)生變化。若在變換器前端加一EMI濾波器，由于負(fù)阻的影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。根據(jù)Middlebr ook的理論，若濾波器的輸出阻抗Zfilter遠(yuǎn)小于RN，系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。
采用PSpice中模擬行為模型GVALUE建立負(fù)阻模型，使用網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)分析語(yǔ)句，TF計(jì)算最小RN值。相應(yīng)的SPICE語(yǔ)句為：GN 10 Value={75／Vin}?？傻蒙鲜鲩_關(guān)電源的最小輸入阻抗RN=-39 Ω。
(2)計(jì)算輸入電流的基波幅值和所需衰減
使用Pspice計(jì)算基波幅值有兩種方法：
①通過．FOUR語(yǔ)句計(jì)算輸入電流的基波分量；
②用電流探針測(cè)出電流波形，在Probe中直接進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，使用Toggle Cursor功能找出基波峰值點(diǎn)。
上述兩種方法的結(jié)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(yù)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(yīng)的激勵(lì)源，通過參數(shù)掃描分析，PARAM求得最大基波幅值。
當(dāng)I1rms已知時(shí)，可求出所需的衰減系數(shù)為(用分貝表示)：A=45 dB。
(3)計(jì)算LC元件值
一般的二階EMI濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中R1，R2為電感電容的等效串聯(lián)電阻，開關(guān)變換器等效為負(fù)電阻RN。EMI濾波器的轉(zhuǎn)折頻率f0與衰減系數(shù)的關(guān)系為：
由上式可得所需EMI濾波器的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)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(shù)表查得等效串聯(lián)電阻值R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。
(4)濾波器的振蕩特性
檢驗(yàn)濾波器是否振蕩的方法有兩種：
①直接進(jìn)行瞬態(tài)分析，TRAN，查看RN兩端電壓波形是否產(chǎn)生振蕩；
②計(jì)算濾波器的交流輸出阻抗。操作方法為：將RN替換為一個(gè)幅值為1 A的交流電流源，設(shè)定交流掃描區(qū)間為1～300kHz，每十倍頻取100個(gè)點(diǎn)。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(shù)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(jìn)行瞬態(tài)分析，仿真時(shí)間為15 ms。結(jié)果顯示，t>9 ms后，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)無(wú)振蕩。
采用方法②得到的阻抗曲線顯示，當(dāng)開關(guān)變換器的工作頻率為676．083 Hz時(shí)，濾波器取得最大輸出阻抗，阻抗值4．53 Ω遠(yuǎn)小于RN最小值39 Ω，即系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。
若選擇的元件參數(shù)不合適導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，解決的辦法通常有兩種：
①重新選擇L，C值，再次檢驗(yàn)，直到選擇的參數(shù)使電路穩(wěn)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(lián)一個(gè)RC串聯(lián)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(shù)。
在Pspice中綜合使用參數(shù)掃描和性能分析的方法，可很快找到最佳參數(shù)值。
(5)濾波器的上電特性
在許多應(yīng)用中，輸入電壓是以階躍的形式加載的，比如開關(guān)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(huì)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(gè)從0 V躍變到最大輸入電壓的階躍輸入，并監(jiān)測(cè)濾波器吸收的電流，以此來(lái)評(píng)估濾波器的上電特性。
如圖2所示，在電路中加入時(shí)域開關(guān)SW_tclose來(lái)模擬階躍輸入。設(shè)置開關(guān)閉合時(shí)刻Tc=1 ms，則相應(yīng)的階躍輸入為u(t)=Vin·δ(t-Tc)。設(shè)置仿真時(shí)間為20 ms，最大步長(zhǎng)為1μs，測(cè)量流過電感的電流IL及流過開關(guān)變換器的電流IRN。結(jié)果表明，IL_max=9．77 A，IRN_max=16．7 A。根據(jù)手冊(cè)查得所用電感的最大飽和電流IL_sat及開關(guān)器件的最大電流IIGBT。因?yàn)镮L_max
若選擇的元件值造成浪涌電流較大，說(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
濾波器參數(shù)為L(zhǎng)=200μH，C=280μF，R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。測(cè)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(cè)得未加入濾波器時(shí)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(jié)果可知，設(shè)計(jì)的EMI濾波器符合衰減要求。
3 結(jié)論
傳統(tǒng)的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法涉及大量計(jì)算，PSpice可彌補(bǔ)這一不足。采用PSpice輔助設(shè)計(jì)不但減輕了設(shè)計(jì)工作量，還能通過合理的優(yōu)化使電路參數(shù)更精確、可靠；使用PSpice仿真還能對(duì)EMI濾波器的性能進(jìn)行多方面的預(yù)測(cè)，在設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)可能存在的問題并及時(shí)解決；另外，上述方法同樣適用于高階EMI濾波器的設(shè)計(jì)。