EMI滤波器的PSpice辅助设计

作者：顾瑞超，包晔峰，薛 猛

0 引言

     开关电源会产生谐波含量丰富的开关噪声，从而对共用同一电源的其他设备产生干扰。这在汽车应用、长距离通信、工业测量等场合特别明显。为了消除这干扰，常需在输入电源和开关变换器间加入EMI滤波器。传统的EMI滤波器设计方法需要进行大量的计算，以确定合适的电抗元件参数，设计过程较繁琐。

     PSpice是业界公认的优秀仿真软件，它能对电路进行参数扫描和优化，通过多次反复计算，得出针对某变量的性能曲线，由性能曲线即可找到最佳参数值。因此，针对EMI滤波器设计需要大量、重复计算这一特点，使用Pspice辅助设计有助于优化电路参数，提高设计效率。

1 EMI滤波器的设计步骤

     适用于开关电源的EMI滤波器通常应满足以下几个要求：

     (1)反射纹波衰减特性：EMI滤波器提供的衰减必须能使输入电源的电流纹波系数达到要求水平；

     (2)阻抗特性：在变换器工作的频率范围内，变换器的输入阻抗必须远大于滤波器的输出阻抗，否则可能导致振荡；

     (3)上电特性：在阶跃输入的情况下易产生浪涌电流。由于应力及熔断器定额的原因，EMI滤波器应具有一定的吸收浪涌电流的能力。
   

     图1显示了应用于开关电源的EMI滤波器的设计流程。下面结合实例阐述使用PSpice设计的具体方法。假定有一Buck变换器(闭环)，输入电压Vin=100～120VDC，输出功率P=2．10 W，电源效率为93．75％，工作频率f=25 kHz。要求设计一个二阶EMI滤波器，使流过电源Vin的电流纹波小于20 mA。根据要求，采用PSpice辅助设计的二阶EMI滤波器的设计步骤如下：

     (1)计算开关电源的最小输入阻抗

     在闭环系统中，不论电路工作在何种状态，反馈环路总是努力去保持电路的输出功率恒定。因此，从输入端看，开关变换器就像一个负电阻RN。当输入电压变化时，负电阻阻值发生变化。若在变换器前端加一EMI滤波器，由于负阻的影响，可能导致系统振荡。根据Middlebr ook的理论，若滤波器的输出阻抗Zfilter远小于RN，系统不发生振荡。

     采用PSpice中模拟行为模型GVALUE建立负阻模型，使用网络传递函数分析语句，TF计算最小RN值。相应的SPICE语句为：GN 10 Value={75／Vin}。可得上述开关电源的最小输入阻抗RN=-39 Ω。

     (2)计算输入电流的基波幅值和所需衰减

     使用Pspice计算基波幅值有两种方法：

     ①通过．FOUR语句计算输入电流的基波分量；

     ②用电流探针测出电流波形，在Probe中直接进行快速傅里叶变换(FFT)，使用Toggle Cursor功能找出基波峰值点。

     上述两种方法的结果相同，得到的基波幅值I1m=3．15 A，有效值I1rms=2．23 A。

     若输入电流波形未知，可预估其形状，然后找出此类电流波形基波可能取得的最大值。具体做法为：在PSpice 中选用合适模型建立相应的激励源，通过参数扫描分析，PARAM求得最大基波幅值。

     当I1rms已知时，可求出所需的衰减系数为(用分贝表示)：A=45 dB。

     (3)计算LC元件值

     一般的二阶EMI滤波器的结构如图2所示，其中R1，R2为电感电容的等效串联电阻，开关变换器等效为负电阻RN。EMI滤波器的转折频率f0与衰减系数的关系为：

     

     由上式可得所需EMI滤波器的转折频率应小于1．34kHz。为了获得较好的滤波效果，取L=200μH，C=280 μF。由器件参数表查得等效串联电阻值R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。

     (4)滤波器的振荡特性

     检验滤波器是否振荡的方法有两种：

     ①直接进行瞬态分析，TRAN，查看RN两端电压波形是否产生振荡；

     ②计算滤波器的交流输出阻抗。操作方法为：将RN替换为一个幅值为1 A的交流电流源，设定交流扫描区间为1～300kHz，每十倍频取100个点。扫描过程中，PSpice将Vin视为短路。由于电流源的幅值为1 A，则电流源两端的电压值与滤波器输出阻抗在数值上相同。扫描所得的电压曲线可看做EMI滤波器的输出阻抗曲线。使用Toggle cursor功能找到最大阻抗值Zfilter。若Zfilter<
     采用方法①进行瞬态分析，仿真时间为15 ms。结果显示，t>9 ms后，输出电压达到稳定状态，即系统无振荡。

     采用方法②得到的阻抗曲线显示，当开关变换器的工作频率为676．083 Hz时，滤波器取得最大输出阻抗，阻抗值4．53 &Omega;远小于RN最小值39 &Omega;，即系统不发生振荡。

     若选择的元件参数不合适导致系统振荡，解决的办法通常有两种：

     ①重新选择L，C值，再次检验，直到选择的参数使电路稳定。

     ②增大EMI滤波器的阻尼，抑制振荡。具体方法：在RN两端并联一个RC串联电路，一般取Cdamp=(3～5)C，Rdamp=Zfilter。

     上述2种方法都需要多次仿真以确定最佳参数。

     在Pspice中综合使用参数扫描和性能分析的方法，可很快找到最佳参数值。

     (5)滤波器的上电特性

     在许多应用中，输入电压是以阶跃的形式加载的，比如开关的合闸、继电器的闭合等，在这类施加电压的过程中，阶跃电压往往会造成较大的浪涌电流。如不加以限制，此电流有可能损坏器件。EMI滤波器具有吸收浪涌电流的功能，通常可在滤波器前端施加一个从0 V跃变到最大输入电压的阶跃输入，并监测滤波器吸收的电流，以此来评估滤波器的上电特性。
   

     如图2所示，在电路中加入时域开关SW_tclose来模拟阶跃输入。设置开关闭合时刻Tc=1 ms，则相应的阶跃输入为u(t)=Vin·&delta;(t-Tc)。设置仿真时间为20 ms，最大步长为1&mu;s，测量流过电感的电流IL及流过开关变换器的电流IRN。结果表明，IL_max=9．77 A，IRN_max=16．7 A。根据手册查得所用电感的最大饱和电流IL_sat及开关器件的最大电流IIGBT。因为IL_max
     若选择的元件值造成浪涌电流较大，说明滤波器的阻尼较小，可通过增大滤波器阻尼解决这一问题。具体做法可参照步骤(4)。

2 实验结果

     滤波器参数为L=200&mu;H，C=280&mu;F，R1=10 m&Omega;，R2=150 m&Omega;。测得加入滤波器前后流过Vin的电流纹波波形如图3所示。
   

     由图3可知，加入滤波器后Iin的纹波显着减小。测得未加入滤波器时Iin基波电流有效值为2．23 A，加入后的有效值为19．1 5 mA。由结果可知，设计的EMI滤波器符合衰减要求。

3 结论

     传统的EMI滤波器设计方法涉及大量计算，PSpice可弥补这一不足。采用PSpice辅助设计不但减轻了设计工作量，还能通过合理的优化使电路参数更精确、可靠；使用PSpice仿真还能对EMI滤波器的性能进行多方面的预测，在设计前期发现可能存在的问题并及时解决；另外，上述方法同样适用于高阶EMI滤波器的设计。