作者：顧瑞超,，包曄峰，薛 猛
0 引言
開關(guān)電源會產(chǎn)生諧波含量豐富的開關(guān)噪聲,，從而對共用同一電源的其他設備產(chǎn)生干擾,。這在汽車應用、長距離通信,、工業(yè)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(guān)變換器間加入EMI濾波器,。傳統(tǒng)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(shù)，設計過程較繁瑣,。
PSpice是業(yè)界公認的優(yōu)秀仿真軟件,，它能對電路進行參數(shù)掃描和優(yōu)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(shù)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(yōu)化電路參數(shù),，提高設計效率,。
1 EMI濾波器的設計步驟
適用于開關(guān)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(shù)達到要求水平；
(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(chǎn)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(guān)電源的EMI濾波器的設計流程,。下面結(jié)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(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(jù)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(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)變換器就像一個負電阻RN。當輸入電壓變化時,，負電阻阻值發(fā)生變化,。若在變換器前端加一EMI濾波器，由于負阻的影響,，可能導致系統(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建立負阻模型，使用網(wǎng)絡傳遞函數(shù)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(guān)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(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(shù)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(shù)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(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
檢驗濾波器是否振蕩的方法有兩種：
①直接進行瞬態(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(qū)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(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進行瞬態(tài)分析,，仿真時間為15 ms。結(jié)果顯示,，t>9 ms后,，輸出電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)無振蕩,。
采用方法②得到的阻抗曲線顯示,，當開關(guān)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(tǒng)不發(fā)生振蕩。
若選擇的元件參數(shù)不合適導致系統(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,，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(jiān)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(guān)SW_tclose來模擬階躍輸入。設置開關(guān)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(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(jié)果
濾波器參數(shù)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(jié)果可知,，設計的EMI濾波器符合衰減要求。
3 結(jié)論
傳統(tǒng)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(yōu)化使電路參數(shù)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(fā)現(xiàn)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。