CN103795238A - 一种用于led开关电源的数字有源emi滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，具体按照以下步骤实施：从电网侧提取EMI信号；控制器对EMI信号采集；基于维纳滤波法精确重构EMI信号；校正控制；EMI信号模拟输出；EMI信号注入电源侧。本发明用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，可以大幅减小滤波器体积，且功率越大，减小体积比例越大；该方法同时具有滤波器的体积不随功率而变化的特性。本方法有效利用开关电源的数字控制器，仅增加了一个RF电感及几个高频电阻、电容，却省去了需要流经功率电流的无源模拟EMI滤波器，功率转换器效率可至少提高10%，总体上至少可节省成本15%。

Description

一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法

技术领域

本发明属于开关电源电磁兼容技术领域，具体涉及一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法。 

背景技术

开关电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点受到人们的青睐，近年来随着LED技术的不断创新和发展，对LED驱动器的需求与日俱增。开关电源式LED驱动器现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化、轻便化，但高频化会产生电磁干扰，若干扰较大会对电网产生EMI污染，使得与其相连的其他设备出现故障。一般国家对接入电网的LED电源设有EMC标准，涉及到EMI的限值，对于我国LED开关电源应符合我国EMC标准GB17743-2007。 

无源模拟EMI滤波器被广泛应用于功率转换器中来减少电磁干扰，但是一方面由于无源模拟EMI滤波器体积较大，另一方面滤波器的成本和功耗随LED开关电源额定功率变化，使无源模拟EMI滤波器的应用受到限制；模拟有源EMI滤波器能够准确抑制电磁干扰，但抑制效果受制于放大器的高频性能及高增益参数的实现；内部EMI滤波抑制技术一般不具有普遍性和实用性。因此本发明针对以上问题，提出一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，解决了传统EMI滤波方法随功率变大而体积、成本和功耗变大的问题。 

本发明采用的技术方案是，一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，采用嵌入式数字有源EMI滤波器，其结构为：包括依次连接的市网电源、数字有源EMI滤波辅助电路、AC/DC不控整流桥、高频DC/DC变换器、输出电压和电流检测电路和LED负载；数字有源EMI滤波辅助电路、高频DC/DC变换器、输出电压和电流检测电路还分别与控制器相连接； 

具体按照以下步骤实施： 

步骤1：从电网侧提取EMI信号； 

步骤2：控制器对EMI信号采集； 

步骤3：基于维纳滤波法精确重构EMI信号； 

步骤4：校正控制； 

步骤5：EMI信号模拟输出； 

步骤6：EMI信号注入电源侧。 

本发明的有益效果是，和传统的滤波方法相比，在EMI抑制和稳定性方面可以实现一个相同或更好的性能的条件下，由于嵌入式的数字有源滤波器省去了大体积的无源滤波元件，可以大幅减小滤波器体积，且功率越大，减小体积比例越大；该方法同时具有滤波器的体积不随功率而变化的特性。本方法有效利用开关电源的数字控制器， 仅增加了一个RF电感及几个高频电阻、电容，却省去了需要流经功率电流的无源模拟EMI滤波器，功率转换器效率可至少提高10%，总体上至少可节省成本15%。 

附图说明

图1是本发明方法采用的嵌入式数字有源EMI滤波器的原理框图； 

图2是本发明方法的设计流程图； 

图3是本发明方法实现的控制原理框图。 

图中，1.控制器，2.市网电源，3.数字有源EMI滤波辅助电路，4.AC/DC不控整流桥，5.高频DC/DC变换器，6.输出电压和电流检测电路，7.LED负载，8.EMI提取电路传递函数，9.离散系统，10.EMI注入电路传递函数，11.解耦电路传递函数，12.离散化传递函数，13.维纳滤波传递函数，14.有源EMI滤波器校正器传递函数。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，采用了嵌入式数字有源EMI滤波器，其结构如图1所示，包括依次连接的市网电源2、数字有源EMI滤波辅助电路3、AC/DC不控整流桥4、高频DC/DC变换器5、输出电压和电流检测电路6和LED负载7。数字有源EMI滤波辅助电路3、高频DC/DC变换器5、输出电压和电流检测电路6还分别与控制器1相连接。 

市网电源2为220V/50Hz的单相交流电源；数字有源EMI辅助 电路3是由共模EMI信号提取电路、射频电感L_RF和EMI信号注入电路三部分组成，EMI信号提取电路是由电阻R_s和电容C_s构成的高通滤波器，接在LED电源线和地电位之间，电阻R_s对地两端之间提取共模传导EMI信号；EMI信号注入电路是由电阻R_inj和电容C_inj构成的低通滤波器，把经控制器处理的模拟输出EMI信号注入到LED开关电源的输入侧；射频电感L_RF接在提取点和注入点之间，来降低提取点和注入点的耦合性；AC/DC不控整流桥4是二极管整流电路；高频DC/DC变换器5是由全桥高频逆变电路、高频变压器和同步整流电路三小部分组成；AC/DC不控整流桥4和高频DC/DC变换器5组成LED开关电源的主电路，采用PWM技术控制高频DC/DC变换器传输电能，进而控制LED开关电源的输出电流使其为恒流输出；输出电压电流检测电路6，采用霍尔传感器检测输出电流大小，采用串联电阻分压的方法检测输出电压的大小，即R1与R2串联分压；控制器1选取FPGA+DSP的数字信号处理器，利用FPGA的并行能力提高控制速度，包括LED开关电源控制器和EMI校正器，完成对输出电压和电流的调节、EMI信号的采集、维纳滤波重构和校正处理；LED负载7为常见的中大功率LED恒流负载。电感L_RF用于阻抗匹配，实现阻抗平衡，串联在电路中起到RF滤波器的作用，衰减30MHz以上的频率信号，而EMI涉及9kHz到30MHz的频率信号则畅通无阻。 

本发明一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法的设计流程如图2所示，具体按照以下步骤实施： 

步骤1：从电网侧提取EMI信号。 

由接在电网侧的共模EMI提取电路提取功率转换器产生的共模传导电磁干扰信号。根据我国EMC国家标准GB17743-2007中所要求共模传导电磁干扰信号的下限频率9kHz，并留有一定的裕量设定高通滤波器转折频率为f₁=8.8kHz，提取出大于转折频率信号的电磁干扰信号。结合电阻电容关系式（1）和现有元件参数取值确定电容C_s和电阻R_s的值分别为：C_s=0.15μF,R_s=120Ω。即： 

$f_1=f_L=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_s{C}_s}=8.8\mathrm{kHz}---\left(1\right)$

高通滤波器的传递函数为： 

$H\left(s\right)=\frac{s}{s+{\mathrm{\ω}}_1}---\left(2\right)$

其中，

为RC高通滤波器的转折角频率。 

步骤2：控制器对EMI信号采集。 

由高通滤波器提取的EMI干扰信号经模数转换进行数字化处理，转换为对应的数字信号以供控制器处理。为保证采样信号的不失真，ADC的采样频率为国家标准GB17743-2007的上限频率30MHz的10倍左右，取采样率为300MSPS，选用14位的AD转换器。 

数字化处理对应的传递函数为： 

$D\left(s\right)=\frac{1-e^{-\mathrm{sT}}}{\mathrm{sT}}---\left(3\right)$

其中，T为ADC采样周期。 

步骤3：基于维纳滤波法精确重构EMI信号。 

维纳滤波器又称最小二乘滤波器或最小平方滤波器，是线性时变系统，可以用频率响应描述。假设其输入信号为V（s），输出信号为 P_v（s），如图3所示，输入输出关系可表示为： 

P_v（s）=W（s）V（s）     （4） 

估计误差E_r（s）被定义为实际EMI信号P（s）和重构EMI信号P_v（s）的差值： 

E_r（s）=P（s）-P_v（s）=P（s）-W（s）V（s）     （5） 

实际EMI骚扰与重构EMI骚扰的均方根误差在频域范围内定义为： 

E[|E_r（s）|²]=E[（P（s）-W（s）V（s））*（P（s）-W（s）V（s））]  （6） 

式中：E[.]表示期望算子，*表示复数共轭相乘。 

根据复数导数规则给上式复二次型对H(jω)求导数，使其导数为零，可得最优值W₀（s）。 

$\frac{\∂E\left[{\left|E_r\left(s\right)\right|}^2\right]}{\∂W\left(s\right)}=2W\left(s\right)S_{\mathrm{vv}}\left(s\right)-2S_{\mathrm{vp}}\left(s\right)=0---\left(7\right)$

式中：S_vv（s）=E[|V（s）|²]是v的功率谱； 

S_vp（s）=E[|P（s）*V（s）|²]是v和p之间的交叉谱。 

W₀（s）为使得该导数为零的解，即为使误差最小的最优值，也即维纳滤波器。其表达式为： 

$W_0\left(s\right)=\frac{S_{\mathrm{vp}}\left(s\right)}{S_{\mathrm{vv}}\left(s\right)}---\left(8\right)$

步骤4：校正控制。 

经维纳滤波重构的EMI信号，通过校正控制器处理得到与注入 EMI模拟信号相对应的数字信号。控制器采用DSP和FPGA，利用FPGA的并行能力提高共模传导EMI数字信号的处理速度。 

步骤5：EMI信号模拟输出。 

步骤4得到的共模传导EMI数字信号经数模转换得到与其相对应的模拟信号。为保证输出的EMI模拟信号精确度，选取14位的高速DA转换器。 

步骤6：EMI信号注入电路。 

EMI模拟输出信号经低通滤波器注入LED开关电源输入侧，输出的模拟信号与LED开关电源产生的共模传导EMI信号相互抵消，即可有效抑制由LED开关电源流入电网的共模传导EMI信号。EMI信号注入电路为一个RC的低通滤波器，主要用以滤除由控制器发出的EMI模拟输出信号中30MHz以上的高频噪声，电容C_inj也可防止DAC模块受功率转换器主电路的影响。根据EMC标准GB17743-2007共模传导EMI最大频率30MHz，并留有一定裕量选取低通滤波器的转折频率为32MHz，然后结合电阻电容关系式（9）和现有元件参数取值确定电容C_inj和电阻R_inj的值为：C_inj=1nF,R_inj=5Ω。即： 

$f_2=f_h=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{inj}}{C}_{\mathrm{inj}}}=32\mathrm{MHz}---\left(9\right)$

式中低通滤波器的传递函数为： 

$L\left(s\right)=\frac{1}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_2}}---\left(10\right)$

其中，为RC低通滤波器的转折角频率。 

本发明一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法的原理框图如图3所示，包括EMI提取电路传递函数8、离散系统9、EMI 注入电路传递函数10、解耦电路传递函数11四部分，离散系统9包括有源EMI滤波器校正器传递函数GEMI（s）14、维纳滤波传递函数W（s）13和离散化传递函数D（s）12三部分组成，数字有源EMI滤波器闭环传递函数为： 

$\begin{array}{c}\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{J\left(s\right)}{1+J\left(s\right)L\left(s\right)G\left(s\right)W\left(s\right)D\left(s\right)H\left(s\right)}\\ =\frac{(s+5.5*{10}^4)(s+2*{10}^8)}{s^2+2*{10}^{8}s+[1.1*{10}^{12}-67*(1-e^{-3*{10}^{8}s})}\end{array}---\left(11\right)$ 。

Claims (7)

1.一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，采用嵌入式数字有源EMI滤波器，其结构为：包括依次连接的市网电源（2）、数字有源EMI滤波辅助电路（3）、AC/DC不控整流桥（4）、高频DC/DC变换器（5）、输出电压和电流检测电路（6）和LED负载（7）；所述的数字有源EMI滤波辅助电路（3）、高频DC/DC变换器（5）、输出电压和电流检测电路（6）还分别与控制器（1）相连接；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：从电网侧提取EMI信号；

步骤2：控制器对EMI信号采集；

步骤3：基于维纳滤波法精确重构EMI信号；

步骤4：校正控制；

步骤5：EMI信号模拟输出；

步骤6：EMI信号注入电源侧。

2.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤1具体按照以下步骤实施：

由接在电网侧的共模EMI提取电路提取功率转换器产生的共模传导电磁干扰信号，根据我国EMC国家标准GB17743-2007中所要求共模传导电磁干扰信号的下限频率9kHz，并留有一定的裕量设定高通滤波器转折频率为f₁=8.8kHz，提取出大于转折频率信号的电磁干扰信号，结合电阻电容关系式（1）和现有元件参数取值确定电容C_s和电阻R_s的值分别为：C_s=0.15μF,R_s=120Ω，即：

$f_1=f_L=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_s{C}_s}=8.8\mathrm{kHz}---\left(1\right)$

高通滤波器的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{s}{s+{\mathrm{\ω}}_1}---\left(2\right)$

其中，

为RC高通滤波器的转折角频率。

3.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤2具体按照以下步骤实施：

由高通滤波器提取的EMI干扰信号经模数转换进行数字化处理，转换为对应的数字信号以供控制器处理，为保证采样信号的不失真，ADC的采样频率为国家标准GB17743-2007的上限频率30MHz的10倍左右，取采样率为300MSPS，选用14位的AD转换器；

数字化处理对应的传递函数为：

$D\left(s\right)=\frac{1-e^{-\mathrm{sT}}}{\mathrm{sT}}---\left(3\right)$

其中，T为ADC采样周期。

4.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤3具体按照以下步骤实施：

假设维纳滤波器输入信号为V（s），输出信号为P_v（s），输入输出关系表示为：

P_v（s）=W（s）V（s）    （4）

估计误差E_r（s）被定义为实际EMI信号P（s）和重构EMI信号P_v（s）的差值：

E_r（s）=P（s）-P_v（s）=P（s）-W（s）V（s）     （5）

实际EMI骚扰与重构EMI骚扰的均方根误差在频域范围内定义为：

E[|E_r（s）|²]=E[（P（s）-W（s）V（s））*（P（s）-W（s）V（s））]   （6）

式中：E[.]表示期望算子，*表示复数共轭相乘；

根据复数导数规则给上式复二次型对H(jω)求导数，使其导数为零，可得最优值W₀（s）；

$\frac{\∂E\left[{\left|E_r\left(s\right)\right|}^2\right]}{\∂W\left(s\right)}=2W\left(s\right)S_{\mathrm{vv}}\left(s\right)-2S_{\mathrm{vp}}\left(s\right)=0---\left(7\right)$

式中：S_vv（s）=E[|V（s）|²]是v的功率谱；

S_vp（s）=E[|P（s）*V（s）|²]是v和p之间的交叉谱。

W₀（s）为使得该导数为零的解，即为使误差最小的最优值，也即维纳滤波器，其表达式为：

$W_0\left(s\right)=\frac{S_{\mathrm{vp}}\left(s\right)}{S_{\mathrm{vv}}\left(s\right)}---\left(8\right)$

5.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤4具体按照以下步骤实施：

经维纳滤波重构的EMI信号，通过校正控制器处理得到与注入EMI模拟信号相对应的数字信号，控制器采用DSP和FPGA，利用FPGA的并行能力提高共模传导EMI数字信号的处理速度。

6.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤5具体按照以下步骤实施：

步骤4得到的共模传导EMI数字信号经数模转换得到与其相对应的模拟信号，为保证输出的EMI模拟信号精确度，选取14位的高速DA转换器。

7.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤6具体按照以下步骤实施：

EMI模拟输出信号经低通滤波器注入LED开关电源输入侧，输出的模拟信号与LED开关电源产生的共模传导EMI信号相互抵消，有效抑制由LED开关电源流入电网的共模传导EMI信号；EMI信号注入电路为一个RC的低通滤波器，主要用以滤除由控制器发出的EMI模拟输出信号中30MHz以上的高频噪声，电容C_inj也可防止DAC模块受功率转换器主电路的影响；根据EMC标准GB17743-2007共模传导EMI最大频率30MHz，并留有一定裕量选取低通滤波器的转折频率为32MHz，然后结合电阻电容关系式（9）和现有元件参数取值确定电容C_inj和电阻R_inj的值为：C_inj=1nF,R_inj=5Ω，即：

$f_2=f_h=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{inj}}{C}_{\mathrm{inj}}}=32\mathrm{MHz}---\left(9\right)$

式中低通滤波器的传递函数为：

$L\left(s\right)=\frac{1}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_2}}---\left(10\right)$

其中，

为RC低通滤波器的转折角频率。

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