CN104702096B - 含解耦电路的数字有源emi滤波系统及解耦电路的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了含解耦电路的数字有源EMI滤波系统及解耦电路的设计方法,解耦电路由单匝电感组成,其设计方法为首先选取解耦电路单匝电感的磁芯材料,在选取单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方,然后确定解耦电路单匝电感的阻抗ZF的取值范围,最后根据确定的解耦电路单匝电感的阻抗值求得单匝电感的尺寸。本发明解决了现有技术中存在的EMI滤波系统滤波性能差、体积与功耗大及设计其解耦电路具有盲目性的技术问题,本发明的数字有源EMI滤波系统的补偿能力与现有技术相比可以提高5dB以上,并为解耦电路的设计提供了一种行之有效的方法。
Description
技术领域
本发明属于开关电源电磁兼容技术领域,具体涉及一种含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,还涉及上述解耦电路的设计方法。
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。高频化使开关电源向小型化、轻便化发展,因此,开关电源高频化是其发展的方向。但是高频的开关会产生较大的高频传导电磁干扰(EMI),不仅会对电网产生EMI污染,也会使与其相连的其他设备功能降级。为了保证电子设备的正常工作,净化电网环境,需加EMI滤波器对传导电磁干扰进行抑制。我国EMC标准GB/T21419-2013对其提出了要求,制定了该干扰的发射限值。
模拟无源EMI滤波器是抑制功率转换器传导EMI的主要措施,但其具有体积大,电感和电容的高频寄生现象明显,滤波灵活性较差,损耗随功率等级的增加而增大,对不同功率等级的变换器通用性差等缺点。数字有源EMI滤波器克服了模拟无源EMI滤波器灵活性差的缺点,因不在主电路中增加器件,所以大幅减小了EMI滤波器的体积和功耗,且其设计不受功率与电流等级限制。
数字有源EMI滤波器在EMI信号检测点与注入点之间存在解耦问题,使得部分EMI注入信号由于阻抗原因,不能与需要抑制的EMI 信号形成抵消,致使其滤波能力降级。有一些数字有源EMI滤波器选用传统绕线电感器件作为解耦电路,其滤波性能虽有所提高,但增加传统绕线电感器件改变了线路原拓扑及线路结构,使得数字有源EMI滤波器在体积和功耗方面的优势大大降低。也有一些解耦电路虽然提高了滤波性能,但其设计没有理论、系统的方法作为指导,盲目性较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,解决了现有技术中存在的数字有源EMI滤波器滤波性能差、体积与功耗大及设计其解耦电路具有盲目性的技术问题。
本发明的另一目的是提供上述解耦电路的设计方法。
本发明所采用的第一技术方案是:含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,其包括通过火线L、零线N、地线PE依次连接的开关电源、线性阻抗稳定网络、市网电源;线性阻抗稳定网络和开关电源之间的火线L上连接有EMI检测电路和EMI注入电路,EMI检测电路在火线L上的连接点为检测点M,EMI注入电路在火线L上的连接点为注入点N,解耦电路连接在火线L上的检测点M与注入点N之间,由单匝电感组成,单匝电感套在火线L上;EMI检测电路和EMI注入电路分别连接有EMI滤波控制器;其中,EMI检测电路、EMI注入电路、解耦电路和EMI滤波控制器组成了数字有源EMI滤波器。
本发明所采用的第一技术方案的特点还在于,
EMI检测电路是由电阻Rs和电容Cs构成的RC高通滤波器,电容 Cs一端连接到线性阻抗稳定网络与解耦电路之间火线L上的检测点M,电容Cs另外一端与电阻Rs的一端串联连接,并连接至EMI滤波控制器上,电阻Rs的另一端接地。
EMI注入电路是由电阻Rinj 1、Rinj 2和电容Cinj 1、Cinj 2构成的RC带通滤波器,电容Cinj 2的一端连接到开关电源与解耦电路之间火线L上的注入点N,电容Cinj 2的另外一端与电阻Rinj 1串联,并且Rinj 1的另一端与EMI滤波控制器相连,电阻Rinj 2与电容Cinj 1组成的并联电路一端接在电容Cinj 2和电阻Rinj 1之间的连接导线上,另一端接地。
开关电源选用型号为g4-1359TX的HP笔记本的充电电源,为噪声干扰源。
EMI滤波控制器选取型号为EP2C35F672C8的FPGA数字信号处理器。
线性阻抗稳定网络选用R&S ENV216。
本发明采用的第二技术方案是,上述含解耦电路的数字有源EMI滤波系统中的解耦电路的设计方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1:选取镍锌铁氧体作为解耦电路单匝电感的磁芯材料;
步骤2:根据电磁干扰信号频率范围的上限频率为30MHz,选取解耦电路单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方为:Fe2O3∶NiO2∶ZnO=50.2∶24.9∶24.9,相对磁导率μr为150;
步骤3:确定解耦电路单匝电感的阻抗范围为: 其中,ZF为解耦电路单匝电感的阻抗,ZC为开关电源的等效内阻抗,ZS为从检测点M向市网电源端看的电源等效阻抗,ZT为从 检测点M向数字有源EMI滤波器方向看的等效阻抗;Zin为从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗;
步骤4:根据步骤3中解耦电路单匝电感的阻抗范围确定单匝电感的阻抗ZF的取值;
步骤5:根据解耦电路单匝电感的阻抗值ZF计算得到单匝电感的尺寸规格:电感内径、电感外经及电感长度,实现了对解耦电路的设计。
本发明所采用的第二技术方案的特点还在于,
步骤3得出单匝电感的阻抗范围的具体方法为:
根据ZF在150kHz-30MHz频段内应对从开关电源即噪声源流出的EMI信号呈现高阻抗,ZF设计为远远大于从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗Zin和开关电源等效内阻抗ZC的并联阻抗,即在150kHz-30MHz频段内满足式(1);根据从检测点M向电源看的电源等效阻抗ZS需对流入线性阻抗稳定网络的EMI信号呈现高阻抗,ZS设计为在150kHz-30MHz频段内远远大于从检测点M向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗ZT和解耦电路阻抗ZF的并联阻抗,即满足式(2);
由式(1)和(2)可得解耦电路单匝电感阻抗ZF范围表达式为
步骤4中确定单匝电感阻抗的具体方法为:
4.1,确定ZS、ZC、ZT、Zin的取值,具体方法为:
线性阻抗稳定网络的阻抗在150kHz-30MHz全频段稳定在50Ω,所以ZS在150kHz-30MHz频率段取50Ω,ZC由双电流探头测试法得到,其随频率的变化而变化,为了获取单匝电感特定的尺寸及抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号,取其在不同频率下对应的最大值;在高频交流电路中,电容可视作短路,所以ZT等效为RS,Zin等效为Rinj 2,因此,在150kHz-30MHz频率内取ZT=RS,Zin=Rinj 2;
4.2,将确定的ZS、ZC、ZT、Zin的取值代入得到ZF的取值范围,并在ZF的取值范围内随机选取一个值作为ZF的取值。
步骤5中计算解耦电感尺寸规格的计算公式为:
其中,L为电感值,B为电感的长度,Ac为电感的截面积,为电感的外径,为电感的内径,μ为磁芯磁导率,μ=μr×μ0=150×4π×10-7=1.885×10-4,μ0为真空磁导率,取4π×10-7H/m,为了抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号,f选取最高频率30MHz。
本发明的有益效果是,本发明在不改变原电路的形式及结构的前提下,采用单匝电感作为解耦电路,负载阻抗和数字有源EMI滤波 器之间满足阻抗匹配原则,降低了EMI信号检测点与注入点在电气连接上的耦合性,阻止EMI信号直接传入低阻抗的电源侧,使得EMI信号注入能力增强,提高了数字有源滤波器的滤波性能,降低了数字有源EMI滤波器的体积及功耗,并克服了解耦电路设计的盲目性问题。另外,本发明中的数字有源EMI滤波器的补偿能力与现有技术相比可以提高5dB以上。
附图说明
图1是本发明的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统的结构示意图;
图2是本发明的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统的阻抗匹配等效条件图;
图3是HP笔记本(型号为g4-1359TX)的电源共模阻抗测试曲线图;
图4是解耦电路的阻抗ZF范围曲线图;
图5是本发明的解耦电路的设计方法流程图;
图6是不加数字有源EMI滤波器时,开关电源的L线传导EMI频谱图;
图7是采用不含解耦电路的数字有源EMI滤波器滤波后,开关电源的L线传导EMI频谱图;
图8是采用本发明中的含有解耦电路的数字有源EMI滤波器滤波后,开关电源的L线传导EMI频谱图。
图中,1.EMI滤波控制器,2.EMI检测电路,3.市网电源,4.线 性阻抗稳定网络,5.解耦电路,6.开关电源,7.EMI注入电路。
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。
本发明的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统的结构如图1所示,包括通过火线L、零线N、地线PE依次连接的开关电源6、线性阻抗稳定网络(LISN)4、市网电源3;线性阻抗稳定网络4和开关电源6之间的火线L上连接有EMI检测电路2和EMI注入电路7,EMI检测电路2在火线L上的连接点为检测点M,EMI注入电路7在火线L上的连接点为注入点N,解耦电路5连接在火线L上的检测点M与注入点N之间,由单匝电感组成,单匝电感套在火线L上;EMI检测电路2和EMI注入电路7分别连接有EMI滤波控制器1。其中,EMI检测电路2、EMI注入电路7、解耦电路5和EMI滤波控制器1组成了数字有源EMI滤波器。
其中,EMI检测电路2是由电阻Rs和电容CS构成的RC高通滤波器,电容Cs一端连接到线性阻抗稳定网络4与解耦电路5之间的火线L上的检测点M,电容Cs另外一端与电阻Rs的一端串联连接,并连接至EMI滤波控制器1上,电阻Rs的另一端接地;EMI注入电路7是由电阻Rinj 1、Rinj 2和电容Cinj 1、Cinj 2构成的RC带通滤波器,电容Cinj 2的一端连接到开关电源6与解耦电路5之间火线L上的注入点N,电容Cinj 2的另外一端与电阻Rinj 1串联,并且Rinj 1的另一端与EMI滤波控制器1相连,电阻Rinj 2与电容Cinj 1组成的并联电路一端接在电容Cinj 2和电阻Rinj 1之间的连接导线上,另一端接地;解耦电路5 连接在火线L上的检测点M与注入点N之间。
市网电源3为220V/50Hz的单相交流电源,通过火线L、零线N、地线PE向开关电源6供电;开关电源6选用型号为g4-1359TX的HP笔记本的充电电源,为噪声干扰源;EMI滤波控制器1选取基于FPGA的数字信号处理器,选用型号为EP2C35F672C8,线性阻抗稳定网络(LISN)4选用R&S ENV216。
如图5所示,本发明解耦电路的设计方法如下:
步骤1:选取解耦电路单匝电感的磁芯材料;
软磁铁氧体作为电波吸收体材料,可以吸收电磁波能量,近年来广泛应用于抗电磁干扰,其中的镍锌铁氧体适合抑制高频段的电磁干扰,可工作在100kHz-140MHz的频率范围内。因此,本发明的解耦电感的磁芯材料选用镍锌铁氧体。
步骤2:选取解耦单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方;
在镍锌铁氧体中,ZnO的含量与镍锌铁氧体的上限截止频率有直接关系,镍锌铁氧体的上限截止频率、相对磁导率与磁芯的配方关系如表1所示:
表1
根据国家标准GB/T21419-2013规定的电磁干扰信号频率范围的上限频率为30MHz,本发明选择镍锌铁氧体的配比为: Fe2O3∶NiO2∶ZnO=50.2∶24.9∶24.9,对应的镍锌铁氧体的相对磁导率μr为150。
步骤3:解耦电路单匝电感阻抗范围的确定;
数字有源EMI滤波系统阻抗匹配等效条件图如图2所示,ZF为解耦电路的阻抗,ZC为开关电源的等效内阻抗,ZS为从检测点M向市网电源端看的电源等效阻抗,ZT为从检测点M向数字有源EMI滤波器方向看的等效阻抗,Zin为从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗。
由于ZF在150kHz-30MHz频段内应对从开关电源即噪声源流出的EMI信号呈现高阻抗,所以ZF应远远大于从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗Zin和开关电源等效内阻抗ZC的并联阻抗,即在150kHz-30MHz频段内满足式(1);由于从检测点M向电源看的电源等效阻抗ZS应对流入线性阻抗稳定网络的EMI信号呈现高阻抗,所以ZS在150kHz-30MHz频段内应远远大于从检测点M向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗ZT和解耦电路阻抗ZF的并联阻抗,即满足式(2);
由式(1)和(2)可得解耦电路阻抗ZF范围表达式为
步骤4:解耦电路单匝电感阻抗ZF的确定;
ZC随频率的变化而变化,其共模阻抗测量曲线如图3所示,横坐 标为频率,频率范围为150kHz-30MHz;由于线性阻抗稳定网络的阻抗在150kHz-30MHz全频段稳定在50Ω,所以ZS在150kHz-30MHz频率段满足ZS≈50Ω,因此,在150kHz-30MHz频率范围内ZS取50Ω;在高频交流电路中,电容可视作短路,所以ZT等效为RS,因此,在150kHz-30MHz频率内取ZT=RS;在高频交流电路中,电容可视作短路,所以Zin可等效为Rinj 2,在150kHz-30MHz频率内取Zin=Rinj 2。
由式(3)即可得出解耦电路阻抗ZF随频率变化的曲线在阻抗随频率变化的曲线1及阻抗随频率变化的曲线2之间,如图4所示,横坐标为频率,频率在150kHz-30MHz之间,纵坐标为解耦电路ZF阻抗的模;为了获取解耦电路单匝电感特定的尺寸及抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号,取ZC在不同频率下对应的最大值,本发明中采用的型号为g4-1359TX的HP笔记本的充电电源在150kHz-30MHz全频段的最大值为50Ω,此时,解耦电路阻抗ZF的取值范围便在定值50Ω及定值之间选取,本发明的该具体实施方式中ZF取50Ω。
步骤5:解耦电感尺寸规格的确定;
解耦电感的电感值与其内、外径及长度的关系为:
其中,B为电感的长度,Ac为电感的截面积,为电感的外径,为电感的内径,μ为磁芯磁导率,μ=μr×μ0=150×4π×10-7=1.885×10-4,其中:μr为镍锌铁氧体磁环的相对磁导率,由步骤2 已经求出为150;μ0为真空磁导率,一般取4π×10-7H/m。
根据标准SJ 2881-88《磁性氧化物或铁粉制成的环形磁芯的尺寸标准》,内径与外径之比为:长度与内径之比为: 由此可得电感L和电感内径的表达式为
由ZF的计算公式求解耦电感的电感值L:
单匝电感的内径越小,对传导EMI信号的抑制效果越好。由式(6)可知,单匝电感的电感值L和电感内径成正比关系。要求得电感内径的最小值,即要求得电感L的最小值。为了抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号,因此选取最高频率f为30MHz计算电感L的值,算出电感最小值为Lmin=0.27uH。
由以上计算得解耦电感的尺寸规格为:B=2.4mm,
因此,本具体实施方式中解耦电路单匝电感的最终设计为:解耦电感的磁芯材料设计为镍锌铁氧体;镍锌铁氧体的配比为Fe2O3∶NiO2∶ZnO=50.2∶24.9∶24.9;磁芯相对磁导率为150;解耦电感的尺寸规格为B=2.4mm,
本发明的工作原理:
EMI信号检测电路2是高通滤波器,电阻Rs对地两端之间提取共模传导EMI信号,其转折频率需在150kHz以下,以提取转折频率以上的传导EMI信号;EMI信号注入电路7把经EMI滤波控制器处理 的模拟输出EMI信号注入到开关电源的输入侧,注入EMI信号的带通滤波器的上限截止频率设计在30MHz左右,下限截止频率设计在150kHz左右,以滤除由于EMI滤波控制器处理产生的30MHz以上的高频信号,同时防止主电路工频及低次功率谐波电流毁坏DAC端口;数字有源EMI滤波控制器1选取基于FPGA的数字信号处理器,利用FPGA的硬件编程及并行处理能力提高控制速度,其包括对EMI信号的A/D采集、滤波控制和EMI控制信号的D/A输出。
EMI信号检测电路2将提取的共模传导EMI信号输入数字信号处理器FPGA;FPGA中的A/D将检测的EMI信号进行采样,得到相应的数字信号供控制器处理;控制器对数字EMI信号进行EMI补偿控制,得到补偿的数字EMI信号;控制处理后的数字EMI信号经D/A得到模拟的EMI注入信号,供EMI信号注入电路7注入到开关电源的输入端;解耦电路5接在检测点和注入点之间,来降低检测点和注入点的耦合性,阻止EMI信号直接传入低阻抗的电源侧,使得EMI信号注入能力增强。
不加本发明中的数字有源EMI滤波器时,开关电源的L线传导EMI频谱如图6所示,采用不含解耦电路的数字有源EMI滤波器滤波后,开关电源的L线传导EMI频谱如图7所示,采用本发明中的含有解耦电路的数字有源EMI滤波器滤波后,开关电源的L线传导EMI频谱如图8所示。从图6和图7看出,采用含解耦电路的数字有源EMI滤波器滤波后,传导EMI幅值在全频段均有减小,在中低频段比较明显。从图7和图8看出,采用本发明中的含有解耦电路的数 字有源EMI滤波器滤波,与不含解耦电路的数字有源EMI滤波器滤波相对比,传导EMI幅值在全频段进一步得到减小,尤其在中低频段更为明显,这说明本发明中的含有解耦电路的数字有源EMI滤波器,大幅度提高了数字有源EMI滤波器的滤波能力。
Claims (8)
1.含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,其特征在于,其包括通过火线L、零线N、地线PE依次连接的开关电源(6)、线性阻抗稳定网络(4)、市网电源(3);线性阻抗稳定网络(4)和开关电源(6)之间的火线L上连接有EMI检测电路(2)和EMI注入电路(7),EMI检测电路(2)在火线L上的连接点为检测点M,EMI注入电路(7)在火线L上的连接点为注入点N,解耦电路(5)连接在火线L上的检测点M与注入点N之间,由单匝电感组成,单匝电感套在火线L上;EMI检测电路(2)和EMI注入电路(7)分别连接有EMI滤波控制器(1);其中,EMI检测电路(2)、EMI注入电路(7)、解耦电路(5)和EMI滤波控制器(1)组成了数字有源EMI滤波器;
EMI注入电路(7)是由电阻Rinj1、Rinj2和电容Cinj1、Cinj2构成的RC带通滤波器,电容Cinj2的一端连接到开关电源(6)与解耦电路(5)之间火线L上的注入点N,电容Cinj2的另外一端与电阻Rinj1串联,并且Rinj1的另一端与EMI滤波控制器(1)相连,电阻Rinj2与电容Cinj1组成的并联电路一端接在电容Cinj2和电阻Rinj1之间的连接导线上,另一端接地。
2.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,其特征在于,EMI检测电路(2)是由电阻Rs和电容Cs构成的RC高通滤波器,电容Cs一端连接到线性阻抗稳定网络(4)与解耦电路(5)之间火线L上的检测点M,电容Cs另外一端与电阻Rs的一端串联连接,并连接至EMI滤波控制器(1)上,电阻Rs的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,其特征在于,开关电源(6)选用型号为g4-1359TX的HP笔记本的充电电源,为噪声干扰源。
4.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,其特征在于,EMI滤波控制器(1)选取型号为EP2C35F672C8的FPGA数字信号处理器。
5.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统,其特征在于,线性阻抗稳定网络(4)选用R&S ENV216。
6.根据权利要起1~5任一项所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统中的解耦电路的设计方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1:选取镍锌铁氧体作为解耦电路单匝电感的磁芯材料;
步骤2:根据电磁干扰信号频率范围的上限频率为30MHz,选取解耦电路单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方为:Fe2O3:NiO2:ZnO=50.2:24.9:24.9,相对磁导率μr为150;
步骤3:确定解耦电路单匝电感的阻抗范围为: 其中,ZF为解耦电路单匝电感的阻抗,ZC为开关电源的等效内阻抗,ZS为从检测点M向市网电源端看的电源等效阻抗,ZT为从检测点M向数字有源EMI滤波器方向看的等效阻抗;Zin为从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗;
步骤4:根据步骤3中解耦电路单匝电感的阻抗范围确定单匝电感的阻抗ZF的取值;
步骤5:根据解耦电路单匝电感的阻抗值ZF计算得到单匝电感的尺寸规格:电感内径、电感外经及电感长度,实现了对解耦电路的设计;
其中,步骤5中计算解耦电感尺寸规格的计算公式为:
其中,L为电感值,B为电感的长度,Ac为电感的截面积,为电感的外径,为电感的内径,μ为磁芯磁导率,μ=μr×μ0=150×4π×10-7=1.885×10-4,μ0为真空磁导率,取4π×10-7H/m,为了抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号,f选取最高频率30MHz。
7.根据权利要求6所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统中的解耦电路的设计方法,其特征在于,步骤3得出单匝电感的阻抗范围的具体方法为:
根据ZF在150kHz-30MHz频段内应对从开关电源即噪声源流出的EMI信号呈现高阻抗,ZF设计为远远大于从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗Zin和开关电源等效内阻抗ZC的并联阻抗,即在150kHz-30MHz频段内满足式(1);根据从检测点M向电源看的电源等效阻抗ZS需对流入线性阻抗稳定网络的EMI信号呈现高阻抗,ZS设计为在150kHz-30MHz频段内远远大于从检测点M向数字 有源EMI滤波器看的等效阻抗ZT和解耦电路阻抗ZF的并联阻抗,即满足式(2);
由式(1)和(2)可得解耦电路单匝电感阻抗ZF范围表达式为
。
8.根据权利要求6所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统中的解耦电路的设计方法,其特征在于,步骤4中确定单匝电感阻抗的具体方法为:
4.1,确定ZS、ZC、ZT、Zin的取值,具体方法为:
线性阻抗稳定网络的阻抗在150kHz-30MHz全频段稳定在50Ω,所以ZS在150kHz-30MHz频率段取50Ω,ZC由双电流探头测试法得到,其随频率的变化而变化,为了获取单匝电感特定的尺寸及抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号,取其在不同频率下对应的最大值;在高频交流电路中,电容可视作短路,所以ZT等效为RS,Zin等效为Rinj2,因此,在150kHz-30MHz频率内取ZT=RS,Zin=Rinj2;
4.2,将确定的ZS、ZC、ZT、Zin的取值代入得到ZF的取值范围,并在ZF的取值范围内随机选取一个值作为ZF的取值。
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2015
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