CN107104657B - 一种数字有源emi滤波器的数字化错周期控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,通过一个高通滤波器将150kHz以上的信号进行采集,然后经过ADC电路把模拟信号转换成离散的数字信号,通过DAEF控制器进行信号的时频域处理,将转换后的信号进行重构,重构后经过DAC电路,等到捕获器捕获到来自开关功率变换器下一周期的开关上升沿或下降沿信号时,通过EMI注入电路经过宽频带高增益放大器将信号放大,将上一周期重构好延迟的信号进行注入,达到EMI的抑制作用。本发明一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,不但解决了DAEF各个环节的延迟使得滤波效果降低的问题,而且提高了DAEF的滤波效果。
Description
技术领域
本发明属于开关电源电磁兼容技术领域,具体涉及一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法。
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。随着数字处理技术的进步,尤其是基于硬件描述语言编程和具有并行处理能力的FPGA广泛发展,运算速度成倍的提高,同时,模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)转换速度和精度也大幅提高,更加上数字处理器成本的不断降低,使得EMI滤波器的数字化可以实现,数字有源EMI滤波器(DAEF)的实际应用成为可能。
专利一种嵌入式数字有源EMI滤波器(专利号:ZL201420050342.X,申请日:2014.1.26,公告号:203788141,公告日:2014.8.20),给出了数字有源EMI滤波器的形状结构。专利一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波器的方法(专利号:ZL201410036622.X,申请日:2014.1.26,公开号:103795238,公开日:2014.5.14),提出了基于LED开关电源的数字有源EMI滤波器的设计方法。专利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(专利号:ZL201510060605.4,申请日:2015.2.5,公开号:104702096,公开日:2015.6.10),给出了解耦电路的设计方法和步骤。专利一种同时抑制共差模电磁干扰的数字有源滤波器(专利号:ZL201420250215.4,申请日:2014.5.14,公告号:203933015,公开日:2014.11.05),给出了能抑制共差模干扰的数字有源EMI滤波器结构。在这些DAEF系统中,DAEF系统的各个环节中包括检测电路、AD转换电路、数字控制器、DA转换电路和EMI注入电路,都会产生延迟的问题,这些延迟必然会影响数字有源EMI滤波器的滤波效果,且这些影响程度会随着共模EMI频率升高而愈发严重。
目前的专利和一些数字有源EMI滤波器的文章重点都是在数字有源EMI滤波器的结构设计和控制系统的设计,其控制策略只是一个以-1为比例的控制环节,但是该控制方法根本没有办法解决DAEF系统中各个环节带来的延迟问题。目前的文献把解决延迟的问题简单归结于选择更高采样率的ADC、DAC及更高速的数字控制器。采用高采样率的ADC、DAC不仅使得DAEF的成本剧增,而且滤波效果也不见得能够得到保证。
如果有一种控制策略能够打破在同一开关周期进行EMI信号的检测与注入,也就是可以在开关周期时间尺度的前半段对信号进行高频采集,在后半段则基于频域信号处理法对所采集的信号进行处理,在频域中对EMI信号的幅值和相位进行预测重构,然后把数据由频域信号转化成时域离散信号,在下一周期的信号采集过程中输出以消除下一个周期产生的EMI信号,这样的控制在一个开关周期尺度内可有足够的时间完成系统的补偿策略。不但彻底解决了数字有源EMI滤波器的延迟问题,而且可以降低ADC与DAC的采样率,从而大幅度的降低数字有源EMI滤波器的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,解决了现有技术中存在的数字有源EMI滤波器中各个环节的延迟使得EMI滤波器滤波效果降低的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,通过一个EMI检测电路将150kHz以上的信号进行采集,采集的信号的来源是EMI信号检测电路在火线L上的连接点P,然后经过ADC电路把模拟信号转换成离散的数字信号,通过DAEF控制器进行信号的时频域处理,将转换后的信号进行重构,重构后经过DAC电路,等到捕获器捕获到来自开关电源下一周期的开关上升沿或下降沿信号时,通过EMI注入电路经过宽频带高增益放大器将信号放大,将上一周期重构好延迟的信号进行注入,达到EMI的抑制作用,注入位置是EMI注入电路在火线L上的连接点Q。
本发明的特点还在于:
步骤1:初始化,清定时中断,开外部中断;
步骤2:判断开关管关断区采集时间是否达到T1关,若没达到,则返回步骤2继续采集;若达到,进入步骤3;
步骤3:把开关管关断区采集时间T1关采集的EMI数据x关(n)进行FFT转换成频域数据X关(k);
步骤4:重构在步骤3转换后EMI的幅值和相位,重构后为X′关(k);
步骤5:将步骤4重构的X′关(k)进行反FFT转换变为离散时域数据x′关(n);
步骤6:保存步骤5转换后的数据x′关(n),开开关管关断区的外部中断;
步骤7:判断在开关管关断区数据处理时间是否到(T/2-T1关),若没达到,则返回步骤7继续数据处理,若达到,进入步骤8;
步骤8:判断开关管开通区采集时间是否达到T1开,若没达到,则返回步骤8继续采集;若达到,进入步骤9;
步骤9:把开关管开通区采集时间T1开采集的EMI数据x开(n)进行FFT转换成频域数据X开(k);
步骤10:重构在步骤9转换后EMI的幅值和相位,重构后为X′开(k);
步骤11:将步骤10重构后的EMIX′开(k)进行反FFT转换变为离散时域数据x′开(n);
步骤12:保存步骤11转换后的数据x′开(n),开开关管开通区的外部中断;
步骤13:判断在开关管开通区数据处理时间是否到(T/2-T1开),若没达到,则返回步骤13继续数据处理,若达到,进入步骤2。
步骤2中关断区采集时间T1关的设置方法为:
其中,T为一个开关周期,n为电路中产生EMI干扰的开关管数量。
步骤3中的时频转换为:
步骤4中的相位重构为将步骤3转换后得到的频域信号X关(k)的相位加180°;
步骤4中幅值重构为将步骤3转换后的频域信号X关(k)的幅值放大Af倍,
k=af+bP+c
其中,Af为宽频带高增益放大器的放大倍数;IEMImax为关断区经过EMI检测电路之后的时域信号IEMI的最大值,IDAomax为DAC电路输出电流IDAo的最大值,k为经过DAEF控制器的损耗,a为开关电源的频率系数,b为功率系数,c为拓扑系数,f为开关电源的开关频率,P为开关电源的输入功率。
步骤5的离散时域信号x′关(n)为:
步骤8中开通区采集时间T1开的设置方法为:
其中,T为一个开关周期,n为电路中产生EMI干扰的开关管数量。
步骤9中时频转换为:
步骤10中相位重构为将步骤9转换后得到的频域信号X开(k)的相位加180°;
步骤10中幅值重构为将步骤9转换后的频域信号X开(k)的幅值放大Af倍;
k=af+bP+c
其中,Af为宽频带高增益放大器的放大倍数;IEMImax为开通区经过EMI检测电路之后的时域信号IEMI的最大值,IDAomax为DAC电路输出电流IDAo的最大值,k为经过DAEF控制器的损耗,a为开关电源的频率系数,b为功率系数,c为拓扑系数,f为开关电源的开关频率,P为开关电源的输入功率。
步骤11中离散时域信号x′开(n)为:
本发明的有益效果是:本发明一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,从根本上解决了DAEF各个环节的延迟使得滤波效果降低的问题,而同时因降低了ADC电路、DAC电路的采集率以及控制模块的速度而使得DAEF的成本降低,提高了DAEF的滤波效果。
附图说明
图1是本发明错周期控制方法中数字有源EMI滤波器结构示意图;
图2是本发明错周期控制方法中时序划分图;
图3是本发明错周期控制方法的主流程图;
图4是本发明错周期控制方法中关断区中断程序流程图;
图5是本发明错周期控制方法中开通区中断程序流程图;
图6是无EMI滤波措施的干扰频谱图;
图7是使用本发明错周期控制方法的DAEF干扰频谱图。
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。
本发明是一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法。开关功率变换器(开关电源)的传导EMI因开关规律性通断会呈现出一定的周期性特点,所以本发明采用开关周期时间尺度错开关周期闭环补偿策略控制传导EMI,这样的控制在一个开关周期尺度内可有足够的时间完成系统的补偿策略。
本发明采用的数字有源EMI滤波器系统框图如图1所示,包括通过火线L、零线N连接的供电电源、大功率开关电源(干扰源);供电电源和干扰源之间的火线L上连接有EMI信号检测电路、EMI注入电路;EMI信号检测电路在火线L上的连接点为检测点P,EMI注入电路在火线L上的连接点为注入点Q;解耦电路连接在火线L上的检测点P与注入点Q之间;EMI信号检测电路和EMI注入电路分别连接于控制模块,控制模块直接与干扰源通过开关驱动信号线连接。其中,EMI信号检测电路、EMI注入电路、解耦电路和控制模块组成了数字有源EMI滤波器。
EMI信号检测电路是由电阻Rsen和电容Csen构成的RC高通滤波器,电容Csen一端连接到火线L上的检测点P,电容Csen另外一端与电阻Rsen的一端连接,并连接至控制模块上,电阻Rsen的另一端接地。EMI信号检测电路即为一个高通滤波器,允许150kHz以上的EMI噪声信号通过。
控制模块包括与EMI信号检测电路连接的ADC电路,ADC电路连接于DAEF(DitalActive EMI Filter,数字有源EMI滤波器)控制器。DAEF控制器分别与捕获器、DAC电路连接,捕获器与大功率开关电源(干扰源)连接,DAC电路与EMI注入电路连接。控制模块连接+3.3V的电源以及GND。ADC电路将EMI信号检测电路检测到的EMI信号进行模/数转换,DAEF控制器将对ADC电路输出的数字离散信号进行错周期重构处理,DAC电路将DAEF控制器输出的数字信号进行数/模变换,当捕获器捕获到来自于开关功率变换器(开关电源)下一周期的开关周期上升沿或下降沿信号时,通过注入电路将重构好的信号输出。
EMI注入电路是由电容Cinj和宽频带高增益放大器串联构成,电容Cinj的一端连接火线L上的注入点Q,电容Cinj的另一端与宽频带高增益放大器的一端连接,宽频带高增益放大器的另一端与控制模块的DAC电路连接。宽频带高增益放大器连接电源+15V、-15V以及GND。当控制模块中捕获器捕获到来自于开关功率变换器(开关电源)下一周期的开关周期上升沿或下降沿信号时,通过EMI注入电路将DAC转换后的模拟信号通过宽频带高增益放大器放大输出。这样就将一个EMI噪声信号,经过数字有源EMI滤波器错周期控制通过一个周期的延迟输出一个错周期的EMI对消信号,进行对下一个周期产生的EMI信号对消处理。
本发明所采用的错周期控制是对下周期的补偿所以不需要很高的采样率,所以若要达到同样的滤波效果,本发明中的ADC电路与DAC电路相比于目前的数字有源EMI滤波器中的ADC电路与DAC电路的采集率可以降低很多,极大的降低了数字有源EMI滤波器的成本。
数字有源EMI控制模块中的错周期控制可以在半个开关周期时间尺度的前半段对信号进行高频采集,在后半段则可以基于频域信号处理法对所采集的信号进行处理,在频域中对EMI信号的幅值和相位进行预测重构,然后把数据由频域信号转化成时域离散信号,在下一周期的信号采集过程中输出以消除下一个周期产生的EMI信号。DAEF错周期控制的时序划分图如图2所示,在一个开关周期内每个开关管一半时间为开关管关断区,一半时间为开关管开通区,每个阶段又分为数据采集及输出区(第一次数据采集时,该阶段仅为本周期数据采集,第二次及其之后数据采集时,该阶段进行本周期数据采集的同时并对上一周期的信号进行输出)和数据处理区两个阶段。开关管关断时可以分为数据采集Ⅰ及输出区Ⅰ、数据处理区Ⅰ两个阶段,开关管开通时可以分为数据采集Ⅱ及输出区Ⅱ、数据处理区Ⅱ两个阶段。
在开关管关断时,图2中1是数据采集Ⅰ及输出区Ⅰ,在当前状态下,控制模块对电路中开关管的当前状态产生的传导EMI进行采集,在图2中2数据处理区Ⅰ进行信号的重构处理把数据采集Ⅰ得到的EMI噪声信号进行幅值和相位的重构,经过一个周期的延时等到再次开关管关断时图2中5时把上周期2数据处理区Ⅰ中重构好的EMI信号注入到电路。所以在数据采集Ⅰ及输出区Ⅰ中数据采集Ⅰ是针对当前开关管关断时的EMI噪声信号的采集,输出区Ⅰ则是针对前一个周期开关管关断时产生的EMI经过数据处理区Ⅰ重构后的输出。在2数据处理区Ⅰ中是将当前周期的数据采集Ⅰ采集的信号进行重构处理。同样在下一个周期的数据采集Ⅰ及输出区Ⅰ中不但要采集当前周期的EMI噪声信号还要将上一个周期数据处理Ⅰ重构后的EMI噪声信号输出,这就完成了对开关管关断时产生EMI的抑制。
图2中3是开关管开通时的数据采集区Ⅱ及输出区Ⅱ,在当前状态下,数据采集Ⅱ是控制模块对电路中开关管的当前状态产生的传导EMI进行采集,然后在4数据处理区Ⅱ进行信号的幅值和相位重构,经过一个周期的延时等到开关管再次开通图2中7时把上周期4重构后的EMI信号注入到电路。所以在数据采集Ⅱ及输出区Ⅱ中数据采集Ⅱ是针对当前状态开关管开通区时的EMI噪声信号的采集,输出区Ⅱ则是针对前一个周期的开关管开通区产生的EMI经过前一个周期中数据处理区Ⅱ进行幅值和相位重构后的输出。在4数据处理区Ⅱ中是将当前开关周期的数据采集Ⅱ采集的EMI进行重构。同理在下一个周期7的数据采集Ⅱ及输出区Ⅱ中不但要采集当前周期的EMI噪声信号还要将上一个周期4中数据处理Ⅱ重构后的EMI噪声信号输出,这就完成了对开关管开通时产生EMI的抑制。
本发明一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,通过一个EMI检测电路将150kHz以上的信号进行采集,然后经过ADC电路把模拟信号转换成离散的数字信号,通过DAEF控制器进行信号的时频域处理,将转换后的信号进行重构,重构后经过DAC电路,等到捕获器捕获到来自开关功率变换器(开关电源)下一周期的开关上升沿或下降沿信号时,通过EMI注入电路经过宽频带高增益放大器将信号放大,将上一周期重构好延迟的信号进行注入,达到EMI的抑制作用。
具体按照以下步骤实施,流程图如图3所示:
步骤1:初始化,清定时中断,开外部中断;
步骤2:判断关断区采集时间是否达到T1关,若没达到,则返回步骤2继续采集;若达到,进入步骤3;
其中,关断区采集时间T1关的设置方法为:
其中,T为一个开关周期,n为电路中产生EMI干扰的开关管数量,EMI噪声干扰的幅值和持续时间与开关管的数量是有关的,如占空比1/2的Boost电路,其n=1,采集周期T1关为半个周期的1/2;如占空比1/2的全桥逆变电路,其n=4,采集周期T1关为半个周期的4/5。
步骤3:把关断区采集时间T1关采集的EMI数据x关(n)进行FFT转换成频域数据X关(k);时频转换为:
步骤4:重构在步骤3转换后EMI的幅值和相位:
(1)将转换后得到的频域信号X关(k)的相位加180°对其进行相位重构;
(2)转换后的幅值根据电路的拓扑结构、功率以及频率等进行对其重构。
在时频域信号转换的过程中由于ADC电路、DAEF控制器以及DAC电路都会消耗能量,从而降低EMI噪声信号的幅值。其能量的损耗与电路的拓扑、功率、频率等有关。所以放大器要对其转换后的信号进行放大,来补偿损耗的能量,其放大倍数如式(3):
k=af+bP+c (4)
其中,Af为宽频带高增益放大器的放大倍数;IEMImax为关断区经过EMI检测电路之后的时域信号IEMI的最大值,IDAomax为DAC电路输出电流IDAo的最大值,k为经过DAEF控制器的损耗,a为开关电源的频率系数,b为功率系数,c为拓扑系数,f为开关电源的开关频率,P为开关电源的输入功率。经过DAEF控制器的损耗与电路的拓扑、功率、频率有关,它们是一个线性关系。在本发明中只有一个开关管当为Buck电路时当为Boost电路时
故在关断区将转换后的EMI信号X关(k)相位加180°,将转换后的信号X关(k)幅值放大Af倍。
步骤5:将步骤4重构的EMIX′关(k)进行反FFT转换变为离散时域数据x′关(n);
将步骤4重构后的EMI信号X′关(k)进行反FFT转换为离散时域数据,如式(5):
步骤6:保存步骤5转换后的数据x′关(n),开关断区的外部中断;
步骤7:判断在关断区数据处理时间是否到(T/2-T1关),若没达到,则返回步骤7继续数据处理,若达到,进入步骤8;
步骤8:判断开通区采集时间是否达到T1开,若没达到,则返回步骤8继续采集;若达到,进入步骤9;
其中,开通区采集时间T1开的设置方法为:
其中,T为一个开关周期,n为电路中产生EMI干扰的开关管数量,EMI噪声干扰的幅值和持续时间与开关管的数量是有关的,如占空比1/2的Boost电路,其n=1,采集周期T1开为半个周期的1/2;如占空比1/2的全桥逆变电路,其n=4,采集周期T1开为半个周期的4/5。
步骤9:把开通区采集时间T1开采集的EMI数据x开(n)进行FFT转换成频域数据X开(k);时频转换为:
步骤10:重构在步骤9转换后EMI的幅值和相位:
(1)将转换后得到的频域信号X开(k)的相位加180°对其进行相位重构;
(2)将转换后信号X开(k)的幅值根据电路的拓扑结构、功率以及频率等进行对其重构。
在时频域信号转换的过程中由于ADC电路、DAEF控制器以及DAC电路都会消耗能量,从而降低EMI噪声信号的幅值。其能量的损耗与电路的拓扑、功率、频率等有关。所以宽频带高增益放大器要对其转换后的信号进行放大,来补偿损耗的能量,其放大倍数如式(8):
k=af+bP+c (9)
其中,Af为宽频带高增益放大器的放大倍数;IEMImax为开通区经过EMI检测电路之后的时域信号IEMI的最大值,IDAomax为DAC电路输出电流IDAo的最大值;k为经过DAEF控制器的损耗,a为开关电源的频率系数,b为功率系数,c为拓扑系数,f为开关电源的开关频率,P为开关电源的输入功率。经过DAEF控制器的损耗与电路的拓扑、功率、频率有关,它们是一个线性关系。在本发明中只有一个开关管当为Buck电路时当为Boost电路时
故将开通区转换后的EMI信号相位加180°,将转换后的信号幅值放大Af倍。
步骤11:将步骤10重构后的EMIX′开(k)进行反FFT转换变为离散时域数据x′开(n),如式(10):
步骤12:保存步骤11转换后的数据x′开(n),开开通区的外部中断;
步骤13:判断在开通区数据处理时间是否到(T/2-T1开),若没达到,则返回步骤13继续数据处理,若达到,进入步骤2。
DAEF错周期控制的具体步骤,关断区中断流程图如图4所示:
步骤1:清外部中断,开采样定时器;
步骤2:在数据采集Ⅰ及输出区Ⅰ采集本周期EMI信号并保存;
通过RC高通滤波器采集关断区150kHz以上的EMI信号。
步骤3:在数据采集Ⅰ及输出区Ⅰ输出重构的前一周期EMI数据;
步骤4:关采样定时器,开外部中断。
DAEF错周期控制的具体步骤,开通区中断流程图如图5所示:
步骤1:清外部中断,开采样定时器;
步骤2:在数据采集Ⅱ及输出区Ⅱ采样本周期EMI信号并保存;
通过RC高通滤波器采集开通区150kHz以上的EMI数据;
步骤3:在数据采集Ⅱ及输出区Ⅱ输出重构的前一周期EMI数据;
步骤4:关采样定时器,开外部中断。
如图6所示为在Boost电路模型中没有安装EMI滤波器的传导EMI频谱;即图6表示无EMI滤波措施的干扰频谱图,从图中可以看出EMI干扰已经达到100dBμV,特别是在低频段已经远远超过了国际标准限值。
如图7所示为使用本申请数字有源EMI滤波器错周期控制后的共模EMI频谱,即图7表示带有采用错周期控制方法的DAEF干扰频谱图。将它与图6进行对比,可以看出整体上的传导EMI都大幅度降低,特别是在低频段。
使用DAEF错周期控制后的传导EMI的值已远远低于国际标准限值。
Claims (9)
1.一种数字有源EMI滤波器的数字化错周期控制方法,其特征在于,通过一个EMI检测电路将150kHz以上的信号进行采集,采集的信号的来源是EMI信号检测电路在火线L上的连接点P,然后经过ADC电路把模拟信号转换成离散的数字信号,通过DAEF控制器进行信号的时频域处理,将转换后的信号进行重构,重构后经过DAC电路,等到捕获器捕获到来自开关电源下一周期的开关上升沿或下降沿信号时,通过EMI注入电路经过宽频带高增益放大器将信号放大,将上一周期重构好延迟的信号进行注入,达到EMI的抑制作用,注入位置是EMI注入电路在火线L上的连接点Q;
具体按照以下步骤实施:
步骤1:初始化,清定时中断,开外部中断;
步骤2:判断开关管关断区采集时间是否达到T1关,若没达到,则返回步骤2继续采集;若达到,进入步骤3;
步骤3:把开关管关断区采集时间T1关采集的EMI数据x关(n)进行FFT转换成频域数据X关(k);
步骤4:重构在步骤3转换后EMI的幅值和相位,重构后为X′关(k);
步骤5:将步骤4重构的X′关(k)进行反FFT转换变为离散时域数据x′关(n);
步骤6:保存步骤5转换后的数据x′关(n),开开关管关断区的外部中断;
步骤7:判断在开关管关断区数据处理时间是否到T/2-T1关,若没达到,则返回步骤7继续数据处理,若达到,进入步骤8;
步骤8:判断开关管开通区采集时间是否达到T1开,若没达到,则返回步骤8继续采集;若达到,进入步骤9;
步骤9:把开关管开通区采集时间T1开采集的EMI数据x开(n)进行FFT转换成频域数据X开(k);
步骤10:重构在步骤9转换后EMI的幅值和相位,重构后为X′开(k);
步骤11:将步骤10重构后的EMIX′开(k)进行反FFT转换变为离散时域数据x′开(n);
步骤12:保存步骤11转换后的数据x′开(n),开开关管开通区的外部中断;
步骤13:判断在开关管开通区数据处理时间是否到T/2-T1开,若没达到,则返回步骤13继续数据处理,若达到,进入步骤2。
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