CN105553244A - Emi滤波器及应用其的开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EMI滤波器，所述EMI滤波器由输入电容、晶体管和控制电路构成，控制电路生成的控制信号通过动态改变晶体管第一端的电压，来补偿开关电源的输入电容上的纹波，得到平滑的无开关频率纹波的输入电流。从而防止高频谐波流入电网，造成谐波污染，且本发明技术实现方法简单，利用半导体器件滤除开关频率的纹波，比无源器件大大节省了空间，更可以适用于全表面贴装器件的应用场合。

Description

EMI滤波器及应用其的开关电源

技术领域

本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种EMI滤波器及应用其的开关电源。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率开关管开通和关断的时间比率，以维持稳定输出电压的一种电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

开关电源由于其高效且多样的电能变换作用等诸多优点，已经在工业和民用领域广泛使用。然而，由于其使用功率开关器件以及开关电源本身产生的电磁干扰，导致开关电源内部的电磁环境越来越恶劣，同时对周围的电子设备及电源本身的正常工作造成了威胁。此外，开关电源高频化是其发展的必然方向，高频化使开关电源小型化，然而，开关电源在高频化的同时却也产生更加严重的电磁干扰。为了避免高频开关电流流入电网，造成谐波污染，一般开关电源中都采用无源CLC滤波器。

如图1所示，为采用无源EMI滤波的开关电源的电路示意图。开关电源包括整流电路1、无源EMI滤波器2以及直流变换器3。交流市电AC经整流电路1整流后，为后级的直流变换器3提供直流的工作电压。而连接在整流电路1和直流变换器3之间的无源EMI滤波器2用以将直流变换器3中产生的高频的开关纹波滤除，这样虽可以简单有效地防止高频谐波流入电网，造成谐波污染，但是无源EMI滤波器2至少需要两种无源器件，且电感的感值一般较高，使得电感的体积和尺寸都较大，这无疑对开关电源小型化的需求提出了挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种主动式的EMI滤波器，以解决现有技术中，由于采用无源EMI滤波电路而导致开关电源体积较大，无法满足小型化需求的问题。

第一方面，提供一种EMI滤波器，应用于交流/直流开关电源中，所述开关电源包括整流电路、EMI滤波器以及直流变换器，所述EMI滤波器设置在整流电路和直流变换器之间，所述整流电路接收交流市电，且一输出端与地连接，其特征在于，所述EMI滤波器包括：

输入电容，并联连接在所述直流变换器的输入端；

晶体管，其第一端连接至所述输入电容的第二端，第二端连接至地；

控制电路，用于根据表征输入电压纹波信息的反馈电压和流过所述晶体管的电流，或者，根据所述表征输入电压纹波信息的反馈电压和所述晶体管第一端的电压，生成所述晶体管的控制信号，所述控制信号用于调整所述晶体管第一端的电压，以使得输入电流不含有开关频率的纹波。

优选地，所述控制电路包括：

第一电压采样电路，用于接收所述晶体管第一端的电压，生成第一电压采样信号；

第一参考信号生成电路，用于根据所述第一电压采样信号，生成电流参考信号；

第一控制信号生成电路，用于根据所述电流参考信号和流过所述晶体管的电流，生成所述晶体管的第一控制信号。

优选地，所述控制电路包括：

第二电压采样电路，用于接收所述输入电容第一端的电压和所述晶体管第一端的电压，生成第二电压采样信号；

第二参考信号生成电路，用于根据所述第二电压采样信号，生成电压参考信号；

第二控制信号生成电路，用于根据所述电压参考信号和所述晶体管第一端的电压，生成所述晶体管的第二控制信号。

优选地，所述第一电压采样电路包括：

微分电路，连接在所述晶体管的第一端和所述地之间，用于接收所述晶体管第一端的电压并将其进行微分运算，输出微分电压信号和微分电流信号；

过零检测电路，根据所述微分电压信号或者所述微分电流信号，生成过零检测信号；

采样保持电路，用于根据所述晶体管第一端的电压和所述过零检测信号，生成第一电压采样信号。

优选地，所述第一参考信号生成电路包括：

运算放大器，其同相输入端接收所述第一电压采样信号，反相输入端接收一基准电压；

补偿电路，连接在所述运算放大器的输出端和地之间，在其非接地的一端生成所述电流参考信号。

优选地，所述第二电压采样电路为一纹波电压采样电路，所述纹波采样电压电路接收所述输入电容第一端的电压和所述晶体管第一端的电压以获得所述输入电容两端的电压，所述纹波电压采样电路提取所述输入电容两端的电压的纹波电压，以生成所述第二电压采样信号。

优选地，所述第二参考信号生成电路包括：

叠加电路，用于用一直流偏置电压减去所述第二电压采样信号，以生成所述电压参考信号。

优选地，所述第二参考信号生成电路还包括：

直流偏置生成电路，用于根据所述第二电压采样信号，生成所述直流偏置电压。

第二方面，提供一种开关电源，包括：

上述的EMI滤波器。

本发明技术采用主动式的EMI滤波器，所述EMI滤波器由输入电容、晶体管和控制电路构成，控制电路生成的控制信号通过动态改变晶体管第一端的电压，来补偿开关电源的输入电容上的纹波，得到平滑的无开关频率纹波的输入电流。从而防止高频谐波流入电网，造成谐波污染，且本发明技术实现方法简单，利用半导体器件滤除开关频率的纹波，比无源器件大大节省了空间，更可以适用于全表面贴装器件的应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一个开关电源的电路示意图；

图2为依据本发明第一实施例的开关电源的电路示意图；

图3为依据本发明第二实施例的开关电源中控制电路的电路示意图；

图4为依据本发明第二实施例的开关电源的工作波形图；

图5为依据本发明第三实施例的开关电源中控制电路的电路示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2所示为依据本发明第一实施例的开关电源的电路示意图。

如图2所示，开关电源包括整流电路1、EMI滤波器4以及直流变换器3，EMI滤波器4设置在整流电路1和直流变换器3之间，整流电路1的第二输出端b与地连接，其接收交流电网的交流市电AC，输出直流电压作为直流变换器3的输入电压V_IN。

具体地，EMI滤波器4包括输入电容C1、晶体管Q1以及控制电路41。

输入电容C1并联连接在直流变换器4的输入端，用以对所述输入电压V_IN进行滤波。

晶体管Q1，其第一端连接至输入电容C1的第二端，输入电容C1的第一端连接至整流电路1的第一输出端a，晶体管Q1的第二端连接至地，也即整流电路1的第二输出端b。在本发明实施例中，晶体管Q1以N沟道增强型的场效应晶体管为例加以说明。晶体管Q1受控地动态改变其第一端(本实施例中为晶体管Q1的漏极)的电压V_{Q1_Drain}，来补偿开关电源中输入电容C1的纹波，以得到平滑的且无开关频率纹波的输入电流。

控制电路41，用于根据表征输入电压纹波信息的反馈电压V_FB和流过晶体管Q1的电流I_Q1，或者，根据表征输入电压纹波信息的反馈电压V_FB和晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，生成晶体管Q1的控制信号V_G，控制信号V_G用于调整晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，以使得输入电流不含有开关频率的纹波。这里，表征输入电压纹波信息的反馈电压V_FB可以是晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的电压采样信号，也可是输入电容C1两端的电压的纹波电压。

优选地，控制电路41可以包括电压采样电路42、参考信号生成电路43以及控制信号生成电路44。其中，

电压采样电路42，用于根据表征输入电压纹波信息的反馈电压V_FB生成一电压采样信号V_S；参考信号生成电路43，用于根据电压采样信号V_S，生成参考信号V_REF；控制信号生成电路44，用于根据参考信号V_REF和流过晶体管Q1的电流I_Q1，或者根据参考信号V_REF和晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，生成控制信号V_G。控制信号V_G用于调整晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，以使得输入电流不含有开关频率的纹波。

由此，本发明技术采用主动式的EMI滤波器，通过动态改变晶体管第一端的电压，来补偿开关电源的输入电容上的纹波，得到平滑的无开关频率纹波的输入电流。达到防止高频谐波流入电网，造成谐波污染的目的，且本发明技术实现方法简单，利用半导体器件滤除开关频率的纹波，比无源器件大大节省了空间，更可以适用于全表面贴装器件的应用场合。

以下结合具体实施例，详细说明依据本发明的EMI滤波器的控制电路41中各电路结构的具体实现方式及工作原理。

参考图3，所示为依据本发明第二实施例的开关电源中控制电路的电路示意图。

在本实施例中，EMI滤波器4中的控制电路41包括：

第一电压采样电路421，用于接收晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，生成第一电压采样信号V_S1。优选地，第一电压采样电路421包括：

微分电路4211，连接在晶体管Q1的第一端和地之间，用于接收晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}并将其进行微分运算。在本实施例中，微分电路4211由电容C3和电阻R1串联构成，且电阻R1的一端接地。微分电路4211将晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}进行微分运算后，在电容C3和电阻R1的公共节点输出微分电压信号V_dif，并获取流过电阻R1的电流作为微分电流信号I_dif。可以理解的是，微分电路4211也可以选用其他形式的微分电路结构，只要能够进行微分运算即可。

过零检测电路4212，用于根据微分电压信号V_dif或微分电流信号I_dif，生成过零检测信号V_ZERO。如图4所示，由于晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}是一个具有较大波动的电压信号，将其进行微分运算处理后，有利于方便地采样其峰值电压或谷值电压。根据电路原理，在微分电路4211输出的微分电压信号V_dif或微分电流信号I_dif过零时，即为晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的峰值点或者谷值点。进一步地，在微分电压信号V_dif或微分电流信号I_dif由正到负过零时，即为晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的峰值点；在微分电压信号V_dif或微分电流信号I_dif由负到正过零时，即为晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的谷值点。因此，可以通过在微分电压信号V_dif或微分电流信号I_dif过零时，生成一个过零检测信号V_ZERO，以方便采样晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的峰值或谷值。

需要说明的是，在本实施例中，为了获得最优的效率，采样的是晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的谷值。从而，在微分电压信号V_dif或微分电流信号I_dif由负到正过零时，生成所述过零检测信号V_ZERO。

采样保持电路4213，用于根据晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}和过零检测信号V_ZERO，生成第一电压采样信号V_S1。采样保持电路4213在过零检测信号V_ZERO为有效电平时，获取晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，以获得晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的谷值作为第一电压采样信号V_S1。

可以理解的是，若在其他实施方式中，第一电压采样电路421采样的是晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的平均值时，则不需要微分电路4211和过零检测电路4212。

第一参考信号生成电路431，用于根据第一电压采样信号V_S1，生成电流参考信号V_IREF。优选地，第一参考信号生成电路431包括：

第一运算放大器AMP1，其同相输入端接收第一电压采样信号V_S1，反相输入端接收一基准电压V1；

补偿电路4311，连接在第一运算放大器AMP1的输出端和地之间，在其非接地的一端生成电流参考信号V_IREF。其包括串联连接在第一运算放大器AMP1的输出端和地之间的电阻R2和电容C4，以及连接在第一运算放大器AMP1的输出端和地之间的电容C5。第一运算放大器AMP1根据基准电压V1和第一电压采样信号V_S1的差值向补偿电路4311注入或抽取电流。从而可以根据基准电压V1和第一电压采样信号V_S1的差值在补偿电路4311非接地的一端生成电流参考信号V_IREF。基准电压V1用于表征晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的谷值。应理解，补偿电路4311还可以采用其它结构，例如采用仅包括电容的补偿电路。

由此，可以通过第一电压采样电路421，得到晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}每个开关周期的谷底电压，且可以通过第一参考信号生成电路431的调节使得晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的谷值稳定在基准电压V1。参考图4所示的晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的电压波形，可以知道这样只对晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的下包络线进行控制，同时基准电压V1也应选取尽量小的值(只要保证一定的可调节余地即可)，可以实现使得晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}几乎只含有开关频率纹波电压成分，不含有过多的直流成分，这样不仅降低了晶体管Q1的损耗，更不会给系统造成多余的损耗。

第一控制信号生成电路441，用于根据电流参考信号V_IREF和流过晶体管Q1的电流I_Q1，生成晶体管Q1的第一控制信号V_G1。第一控制信号生成电路441包括第二运算放大器AMP2，其同相输入端接收电流参考信号V_IREF，反相输入端接收流过晶体管Q1的电流I_Q1，输出晶体管Q1的第一控制信号V_G1。这里，通过电流采样电阻R3获得流过晶体管Q1的电流I_Q1。晶体管Q1的第一控制信号V_G1连接至晶体管Q1的控制端，以改变晶体管Q1的导通状态，从而调整流过其的电流I_Q1。

由第一参考信号生成电路431输出的电流参考信号V_IREF是一个没有开关纹波的信号，更进一步地，设置补偿电路4311内元器件的参数，可以实现电流参考信号V_IREF是一个与输入电压V_IN同相位的近似正弦的信号，如图4中所示。以此电流参考信号作为流过晶体管Q1的电流I_Q1的参考基准，可以实现使得输入电流只跟踪开关电流I_SW的工频分量，而没有开关频率分量。

至此，本发明实施例提供的电流型的去除开关纹波的EMI滤波器，通过采样晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的谷底电压，生成流过晶体管Q1的电流I_Q1的参考信号V_IREF，此电流参考信号V_IREF已经滤除开关纹波。然后用实际的流过晶体管Q1的电流I_Q1与电流参考信号V_IREF比较，生成晶体管Q1的第一控制信号V_G1，最终使得晶体管Q1的电流只有工频分量，而无开关频率的纹波。从而实现防止高频谐波流入交流电网，造成谐波污染的目的。

图5为依据本发明第三实施例的开关电源中控制电路的电路示意图。

在本实施例中，EMI滤波器4中的控制电路41包括：

第二电压采样电路422，用于接收输入电容C1第一端的电压和晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，生成第二电压采样信号V_S2。

第二电压采样电路422为一纹波电压采样电路，纹波电压采样电路接收输入电容C1第一端的电压和晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，用以获得输入电容C1两端的电压。参考图2，开关电源中，输入电容C1两端的电压即为输入电容C1第一端的电压和晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的电压差。纹波电压采样电路提取输入电容C1两端的电压的纹波电压，作为第二电压采样信号V_S2。

第二参考信号生成电路432，用于根据第二电压采样信号V_S2，生成电压参考信号V_VREF。

第二参考信号生成电路432包括叠加电路4321，用于用一直流偏置电压V2减去第二电压采样信号V_S2，以生成电压参考信号V_VREF。由此可知，此电压参考信号V_VREF即为一个将第二电压采样信号V_S2取反后，加上一直流偏置电压的信号。也即，电压参考信号V_VREF和输入电容C1两端的电压的纹波电压在波形上是完全反向的。

需要说明的是，之所以将第二电压采样信号V_S2取反后，加上一直流偏置电压V2，是为了使电压参考信号V_VREF为一个始终大于零的信号，这样不仅可以防止误差的产生，也方便于电路的设计。

进一步地，为了使得系统获得更高的效率，第二参考信号生成电路432还可以包括直流偏置生成电路4322，用于根据第二电压采样信号V_S2，生成所述直流偏置电压V2。直流偏置生成电路4322根据第二电压采样信号V_S2的大小，调整直流偏置电压V2的值。具体地，在第二电压采样信号V_S2的值变大时，调大直流偏置电压V2的值；在第二电压采样信号V_S2的值变小时，调小直流偏置电压V2的值，以使得电压参考信号V_VREF不含有直流分量，只含有纹波分量，从而减小系统的损耗，提高系统的工作效率。

第二控制信号生成电路442，用于根据电压参考信号V_VREF和晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}，生成晶体管Q1的第二控制信号V_G2。第二控制信号生成电路442包括第三运算放大器AMP3，其反相输入端接收电压参考信号V_VREF，同相输入端接收晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的电压，输出晶体管Q1的第二控制信号V_G2。晶体管Q1的第二控制信号V_G1连接至晶体管Q1的控制端，以改变晶体管Q1的导通状态，从而调整其第一端的电压V_{Q1_Drain}。

至此，本发明实施例提供的电压型的去除开关纹波的EMI滤波器，通过采样得到输入电容C1两端的电压的纹波电压，作为第二电压采样信号V_S2，然后用一直流偏置电压减去输入电容C1两端的电压的纹波电压作为晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}的参考电压信号V_VREF，再将参考电压信号V_VREF与实际的晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}比较，生成晶体管Q1的第二控制信号V_G2。这样晶体管Q1第一端的电压V_{Q1_Drain}与输入电容C1两端的电压的纹波电压反向，相互抵消，使得输入电压V_IN上没有开关频率纹波，输入电流最终也为一工频信号，没有开关频率纹波。从而实现防止高频谐波流入交流电网，造成谐波污染的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种EMI滤波器，应用于交流/直流开关电源中，所述开关电源包括整流电路、EMI滤波器以及直流变换器，所述EMI滤波器设置在整流电路和直流变换器之间，所述整流电路接收交流市电，且一输出端与地连接，其特征在于，所述EMI滤波器包括：

输入电容，并联连接在所述直流变换器的输入端；

晶体管，其第一端连接至所述输入电容的第二端，第二端连接至地；

控制电路，用于根据表征输入电压纹波信息的反馈电压和流过所述晶体管的电流，或者，根据所述表征输入电压纹波信息的反馈电压和所述晶体管第一端的电压，生成所述晶体管的控制信号，所述控制信号用于调整所述晶体管第一端的电压，以使得输入电流不含有开关频率的纹波。

2.根据权利要求1所述的EMI滤波器，其特征在于，所述控制电路包括：

第一电压采样电路，用于接收所述晶体管第一端的电压，生成第一电压采样信号；

第一参考信号生成电路，用于根据所述第一电压采样信号，生成电流参考信号；

第一控制信号生成电路，用于根据所述电流参考信号和流过所述晶体管的电流，生成所述晶体管的第一控制信号。

3.根据权利要求1所述的EMI滤波器，其特征在于，所述控制电路包括：

第二电压采样电路，用于接收所述输入电容第一端的电压和所述晶体管第一端的电压，生成第二电压采样信号；

第二参考信号生成电路，用于根据所述第二电压采样信号，生成电压参考信号；

第二控制信号生成电路，用于根据所述电压参考信号和所述晶体管第一端的电压，生成所述晶体管的第二控制信号。

4.根据权利要求2所述的EMI滤波器，其特征在于，所述第一电压采样电路包括：

微分电路，连接在所述晶体管的第一端和所述地之间，用于接收所述晶体管第一端的电压并将其进行微分运算，输出微分电压信号和微分电流信号；

过零检测电路，根据所述微分电压信号或者所述微分电流信号，生成过零检测信号；

采样保持电路，用于根据所述晶体管第一端的电压和所述过零检测信号，生成第一电压采样信号。

5.根据权利要求2所述的EMI滤波器，其特征在于，所述第一参考信号生成电路包括：

运算放大器，其同相输入端接收所述第一电压采样信号，反相输入端接收一基准电压；

补偿电路，连接在所述运算放大器的输出端和地之间，在其非接地的一端生成所述电流参考信号。

6.根据权利要求3所述的EMI滤波器，其特征在于，所述第二电压采样电路为一纹波电压采样电路，所述纹波采样电压电路接收所述输入电容第一端的电压和所述晶体管第一端的电压以获得所述输入电容两端的电压，所述纹波电压采样电路提取所述输入电容两端的电压的纹波电压，以生成所述第二电压采样信号。

7.根据权利要求3所述的EMI滤波器，其特征在于，所述第二参考信号生成电路包括：

叠加电路，用于用一直流偏置电压减去所述第二电压采样信号，以生成所述电压参考信号。

8.根据权利要求7所述的EMI滤波器，其特征在于，所述第二参考信号生成电路还包括：

直流偏置生成电路，用于根据所述第二电压采样信号，生成所述直流偏置电压。

9.一种开关电源，其特征在于，包括：

根据权利要求1-8中任一项所述的EMI滤波器。