CN109617391A - 无级可控抑制能力的开关电源emi滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器,包括接入设备的三条输入线,分别为L线、N线和PE线,L线和N线之间设有三绕组集成式可变共、差模电感,三绕组集成式可变共、差模电感的两端分别设有差模电容Cx1和差模电容Cx2,三绕组集成式可变共、差模电感上还连接有三绕组集成式可变共、差模电感调节电路,N线和PE线之间设有共模电容Cy1,L线和PE线之间设有共模电容Cy2,共模电容Cy1和共模电容Cy2分别为N线和L线对地的寄生共模电容;本发明还公开了上述滤波器的设计方法,通过嵌入的可调电位器可调共模、差模阻抗的精细提升,可实现对共模、差模干扰抑制能力调节的目的。
Description
技术领域
本发明属于开关电源电磁兼容技术领域,涉及一种无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器,本发明还涉及上述滤波器的设计方法。
背景技术
开关电源技术现如今已经运用在各个功率变换的场合,随着开关电源体积的大幅减小、功率等级的提升、开关频率的提升,其电磁干扰变化不仅幅值变大,而且变得更加复杂,频带变化范围更加宽广。传统的无源EMI滤波器因为有各自独立的差模电感和共模电感共同串接在电路中,所以体积大、功耗大是其致命的缺陷,再加上其参数不可以调节,抑制能力固定,不能普遍适应不同功率、不同工作模态的开关电源对于电磁干扰的抑制。基于此,本发明提出一种无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器及设计方法,该滤波器采用三绕组集成式可变共、差模电感代替了原来的各自独立的差模电感和共模扼流圈,通过嵌入的可调电位器实现了共模、差模阻抗的提升,不仅可以通过调节共差模、差模电感,达到调节电磁干扰抑制能力的目的,而且可以大大减小滤波器的体积和功耗。该发明还提供了无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法以及有源与无源器件的选型方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器,通过嵌入的可调电位器可调共模、差模阻抗的精细提升,可实现对共模、差模干扰抑制能力调节的目的。
本发明的另一目的是提供一种无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法。
本发明采用的技术方案是,无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器,包括接入设备的三条输入线,分别为L线、N线和PE线,L线和N线之间设有三绕组集成式可变共、差模电感,三绕组集成式可变共、差模电感的两端分别设有差模电容Cx1和差模电容Cx2,三绕组集成式可变共、差模电感上还连接有三绕组集成式可变共、差模电感调节电路,N线和PE线之间设有共模电容Cy1,L线和PE线之间设有共模电容Cy2,共模电容Cy1和共模电容Cy2分别为N线和L线对地的寄生共模电容;
三绕组集成式可变共、差模电感包括三绕组集成式可变共、差模电感线圈磁芯,三绕组集成式可变共、差模电感线圈磁芯上分别绕制有三绕组集成式可变共、差模电感主绕组Lc1、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组Lc2及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3,三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3与三绕组集成式可变共、差模电感调节电路连接;
三绕组集成式可变共、差模电感调节电路包括功率放大器,功率放大器的负端和输出端之间的回路上分别连接有可调电位器配置电阻R1和可调电位器R2,可调电位器配置电阻R1与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3连接,运算放大器的正端和输出端之间的回路上连接有基础电感Lo,运算放大器通过辅助开关电源供电。
本发明采用的另一技术方案是,无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,具体包括如下过程:
步骤1,测取拟被滤波开关电源的电磁干扰发射频谱;
步骤2,确定拟被滤波开关电源的电磁干扰的发射限制线;
步骤3,根据步骤1和步骤2所得结果确定滤波器截止频率fc的变化范围;
步骤4,确定EMI滤波器三绕组集成式可变共、差模电感磁芯材质;
步骤5,确定滤波器的插入损耗IL;
步骤6,根据步骤5所得结果确定滤波器的最大电压降ΔU;
步骤7,根据步骤6所得结果求滤波器差模电感Ldm的电感值;
步骤8,根据步骤3和步骤7所得结果求差模等效电容Cdmeq的电容值;
步骤9,根据步骤8所得结果确定滤波器差模电容Cx1和差模电容Cx2的电容值,差模电容Cx1和差模电容Cx2的电容值均为差模等效电容Cdmeq的一半;
步骤10,求滤波器共模等效电容Ccmeq的电容值;
步骤11,根据步骤10所得结果确定滤波器共模电容Cy1和共模电容Cy2的电容值;共模电容Cy1和共模电容Cy2的电容值均为共模等效电容Ccmeq的一半;
步骤12,根据步骤11所得结果确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1的电感值;
步骤13,求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1的匝数Nc1;
步骤14,根据步骤7所得结果确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的电感值;
步骤15,求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的匝数Nc2;
步骤16,根据步骤10和步骤3所得结果求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3的电感值;
步骤17,求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3的匝数Nc3;
步骤18,设计三绕组集成式可变共、差模电感调节电路;
步骤19,设计与三绕组集成式可变共、差模电感调节电路匹配的辅助开关电源。
本发明第二种技术方案的特点还在于,
步骤3的具体过程如下:将步骤1获取的电磁干扰频谱与步骤2确定的电磁干扰的发射限制线进行比对,找出第一个超过步骤2确定的电磁干扰的发射限制线的频率点,这样可以得到10个频率点,把这10个频率点从小到大进行排序,用f(1)~f(10)表示,这个f(1)~f(10)从小到大的变化范围就是截止频率fc的变化范围。
步骤5的具体过程如下:滤波器插入损耗IL在选取时根据拟被滤波开关电源的额定功率P来确定,确定准则如下:
当额定功率P在P<20W范围内时,插入损耗IL取值为2dB;
当额定功率P在20W≤P<50W范围内时,插入损耗IL取值为3dB;
当额定功率P在50W≤P<100W范围内时,插入损耗IL取值为4dB;
当额定功率P在100W≤P<1kW范围内时,插入损耗IL取值为5dB;
当额定功率P在1kW≤P≤50kW范围内时,插入损耗IL取值为7dB;
当额定功率P在P>5kW范围内时,插入损耗IL取值为10dB。
步骤6的具体过程为,由如下公式(2)求滤波器最大电压降ΔU:
式中,U1为拟被滤波开关电源的输入电压,IL为滤波器的插入损耗。
步骤7的具体过程如下:滤波器差模电感Ldm值按照如下公式(3)确定:
其中,ΔU为滤波器的最大电压降,由步骤6可得;
f为拟滤波开关电源的工作频率;
I为拟滤波开关电源的额定电流。
步骤8的具体过程为,
根据步骤7所获取的差模电感值,用如下公式(4)可以得出滤波器所需的差模电容等效电容Cdmeq:
式中,fc为步骤3中确定的10个截止频率f(1)~f(10)的平均值fAverage。
步骤10的具体过程为:
通过如下公式(5)求共模等效电容Ccmeq的电容值:
其中,Ig为拟被滤波开关电源设备的最大漏电流,
U为拟被滤波开关电源的供电电压;
f为拟被滤波开关电源的工作频率。
步骤12的具体过程为:
根据如下公式(6)求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13的电感值:
式中,
Ccmeq为共模等效电容,由步骤10获得,
f(1)为10个电磁干扰的发射限制线的频率点中的频率最小值,由步骤3可得。
步骤14的具体过程为:
三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1以及差模电感Ldm之间存在以下等式关系:
式中,根据三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13由步骤12可得,差模电感Ldm由步骤7可得,代入可以得到三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的值。
本发明的有益效果是,本发明提供的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器采用三绕组集成式可变共、差模电感解决了传统的无源电磁干扰滤波器体积大、功耗大的致命缺陷,通过调节嵌入的可调电位器可调共模、差模阻抗的精细提升,实现了对共模、差模干扰抑制能力调节的目的,解决了传统的无源电磁干扰滤波器参数不可以调节、抑制能力固定的问题。同时,本发明提出的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,设计出的滤波器精度更高,抑制效果更好。
附图说明
图1本发明无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的拓扑图;
图2本发明的无级可控抑制能力的开关电源差模EMI滤波器模型图;
图3本发明的无级可控抑制能力的开关电源共模EMI滤波器模型图。
图中,1.差模电容Cx1,2.三绕组集成式可变共、差模电感磁芯,3.三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1,4.三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2,5.差模电容Cx2,6.共模电容Cy1,7.共模电容Cy2,8.三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3,9.可调电位器配置电阻R1,10.可调电位器R2,11.运算放大器,12.基础电感Lo,13.辅助开关电源,14.三绕组集成式可变共、差模电感调节电路阻抗ZN,15.线性阻抗稳定网路自电阻RLISN(L),16.线性阻抗稳定网路自电阻RLISN(N),17.线性阻抗稳定网路自电容CLISN(L),18.线性阻抗稳定网路自电容CLISN(N)。
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。
本发明无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器,如图1所示,包括接入设备的三条输入线,分别为L线、N线和PE线,L线和N线之间设有三绕组集成式可变共、差模电感,三绕组集成式可变共、差模电感的两端分别设有差模电容Cx11和差模电容Cx25,三绕组集成式可变共、差模电感上还连接有三绕组集成式可变共、差模电感调节电路,N线和PE线之间设有共模电容Cy16,L线和PE线之间设有共模电容Cy27,共模电容Cy16和共模电容Cy27分别为N线和L线对地的寄生共模电容。
上述差模电容Cx11和差模电容Cx25均取型号为MPX/DAIN 40、耐压为275V、容值为0.22μF的直插式电容。
共模电容Cy16和共模电容Cy27选取型号为CY-2D耐压为100V,容值为2nF的直插式电容。
三绕组集成式可变共、差模电感包括三绕组集成式可变共、差模电感线圈磁芯2,三绕组集成式可变共、差模电感线圈磁芯2上分别绕制有三绕组集成式可变共、差模电感主绕组Lc13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组Lc24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38,三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38与三绕组集成式可变共、差模电感调节电路连接。
三绕组集成式可变共、差模电感调节电路包括功率放大器11,功率放大器11的负端和输出端之间的回路上分别连接有可调电位器配置电阻R19和可调电位器R210,可调电位器配置电阻R19与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38连接,运算放大器11的正端和输出端之间的回路上连接有基础电感Lo 12,运算放大器11通过辅助开关电源13供电。
辅助开关电源13的输入端分别与L线和N线连接,L线和N线用于向辅助开关电源13供电,辅助开关电源13的输出端分别连接在运算放大器11的正端和负端。
基础电感Lo 12选取感值为450μH的色码电感。
1+R1R2是运算放大器11的闭环增益。辅助绕组电感Lc38可由表达式
得出,输出电压和电流可表示为根据上述表达式得知,通过可调电位器调节接入三绕组集成式可变共、差模电感调节电路的电阻值,即可改变三绕组可调电感的电感值,从而达到改变滤波器抑制能力的目的。辅助开关电源13的作用是用来向运算放大器11供电的,根据放大器LTC6262ITS8的供电电压范围,选取输出为DC±5V,功率为40W的开关电源即可。
图2为无级可控抑制能力的开关电源差模EMI滤波器模型图,模型中输入端接线性阻抗稳定网络LISN,RLISN(L)17和RLISN(L)18为线性阻抗稳定网路的自电阻,阻值均为50Ω,差模电容Cx11和差模电容Cx25选取型号为MPX/DAIN 40的耐压为275V,容值为0.22μF的直插式电容,共模电容Cy16和共模电容Cy27选取型号为CY-2D耐压为100V,容值为2nF的直插式电容,三绕组集成式可变共、差模电感的三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc25选用自行绕制的以镍锌铁氧体材质为磁芯的匝线圈,三绕组集成式可变共、差模电感调节电路阻抗ZN 14会随着可调电位器电阻值的变化影响着电路输出电感值会随之变化。
图3为无级可控抑制能力的开关电源共模EMI滤波器模型图,模型中输入端接线性阻抗稳定网络LISN,RLISN(L)17和RLISN(L)18为线性阻抗稳定网路的自电阻,阻值均为50Ω,CLISN(L)15和CLISN(N)16为线性阻抗稳定网路的自电容,容值均为0.1μF;共模电容Cy16和共模电容Cy27选取型号为CY-2D耐压为100V,容值为2nF的直插式电容,三绕组集成式可变共、差模电感的主绕组电感Lc13和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24、辅助绕组电感Lc38选用自行绕制的以镍锌铁氧体为磁芯的电感线圈,三绕组集成式可变共、差模电感调节电路阻抗ZN 14会随着可调电位器对电阻值的变化其阻抗会随之变化。
本发明还提供上述无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,具体包括如下过程:
步骤1,测取拟被滤波开关电源的电磁干扰发射频谱。
使用R&S公司的ESL 3电磁干扰(EMI)接收机和线性阻抗稳定网路(LISN)获取拟被滤波开关电源的电磁干扰频谱,对拟被滤波开关电源进行十次传到电磁干扰发射测量,所得到的电磁干扰频谱包括共模干扰及差模干扰两种。
步骤2,根据国家标准要求确定拟被滤波开关电源的电磁干扰的发射限制线。
根据国标GB/T 21419-2013《变压器电抗器、电源装置及其组合的安全电磁兼容(EMC)要求》所要求的不同频段的电磁干扰限制线,即国标线,确定拟被滤波开关电源的电磁干扰的发射限制线。
步骤3,确定滤波器截止频率fc的变化范围。
将步骤1获取的电磁干扰频谱与步骤2确定的电磁干扰的发射限制线进行比对,找出第一个超过步骤2确定的电磁干扰的发射限制线的频率点,这样可以得到10个频率点,把这10个频率点从小到大进行排序,用f(1)~f(10)表示,这个f(1)~f(10)从小到大的变化范围就是截止频率fc的变化范围。
步骤4,确定EMI滤波器三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2材质。
抑制高频电磁干扰,所选用的共模电感磁芯材质为镍锌铁氧体。镍锌铁氧体磁芯对高频的电磁干扰抑制效果很好,可以在10kHz-140MHz频率范围内工作,但镍锌铁氧体磁芯内的成分比例不同,其对应工作频段也不同。根据步骤1所测取的开关电源的电磁干扰频段范围选择共模电感磁芯材质时,按照以下选取准则:
当步骤1所测得电磁干扰频谱中的最大幅值频段小于等于10MHz时,所选取的镍锌铁氧体磁芯内成分比例为Fe2O3:NiO:ZnO=50.3:17.5:33.2;
当步骤1所测得电磁干扰频谱中的最大幅值频段大于10MHz时,所选取的镍锌铁氧体磁芯内成分比例为Fe2O3:NiO:ZnO=50.2:24.9:24.9。
步骤5,确定滤波器的插入损耗IL,滤波器插入损耗IL在选取时根据拟被滤波开关电源的额定功率P来确定,确定准则如下:
当额定功率P在P<20W范围内时,插入损耗IL取值为2dB;
当额定功率P在20W≤P<50W范围内时,插入损耗IL取值为3dB;
当额定功率P在50W≤P<100W范围内时,插入损耗IL取值为4dB;
当额定功率P在100W≤P<1kW范围内时,插入损耗IL取值为5dB;
当额定功率P在1kW≤P≤50kW范围内时,插入损耗IL取值为7dB;
当额定功率P在P>5kW范围内时,插入损耗IL取值为10dB。
步骤6,确定滤波器的最大电压降ΔU。
滤波器最大电压降ΔU可以由如下公式(2)定义
式中,U1为拟被滤波开关电源的输入电压,IL为步骤5确定的滤波器的插入损耗。
步骤7,设计滤波器差模电感Ldm;
滤波器差模电感Ldm与滤波器的最大电压降ΔU相关,也与拟滤波开关电源的额定电流值及其频率相关,所以,滤波器差模电感Ldm值按照如下公式(3)确定:
其中,ΔU为滤波器的最大电压降,由步骤6可得;
f为拟滤波开关电源的工作频率;
I为拟滤波开关电源的额定电流。
步骤8,选取差模等效电容Cdmeq;
根据步骤7所获取的差模电感值,用如下公式(4)可以得出滤波器所需的差模电容等效电容Cdmeq:
式中fc为步骤3中确定的10个截止频率f(1)~f(10)的平均值fAverage。
步骤9,确定滤波器差模电容Cx1和差模电容Cx2的电容值;
根据步骤8所得的差模等效电容Cdmeq,差模电容Cx1和差模电容Cx2的电容值均为差模等效电容Cdmeq的一半。
步骤10,求滤波器共模等效电容Ccmeq的电容值。
滤波器共模等效电容与拟被滤波开关电源设备的允许最大漏电流Ig相关,也与拟被滤波开关电源的供电电压值U,及拟被滤波开关电源的工作频率相关,共模等效电容按照如下公式(5)选取:
其中,Ig为拟被滤波开关电源设备的最大漏电流,
U为拟被滤波开关电源的供电电压;
f为拟被滤波开关电源的工作频率;
步骤11,确定滤波器共模电容Cy16和共模电容Cy27的电容值。
根据步骤10所得的共模等效电容Ccmeq,共模电容Cy16和共模电容Cy27的电容值均为共模等效电容Ccmeq的一半。
步骤12,确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13的电感值;
三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13根据如下公式(6)求得:
式中,
Ccmeq为共模等效电容,由步骤10获得,
f(1)为10个电磁干扰的发射限制线的频率点中的频率最小值,由步骤3可得。
步骤13,求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13的匝数Nc1;
根据步骤12所选取的三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13的电感值,由根据如下公式(7)可得三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1匝数Nc1
其中,μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率;
Ac为三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感的截面积;(三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的截面积相等)
MPL为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的周长。
步骤14,确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的电感值;
三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13以及差模电感Ldm之间存在以下等式关系:
式中,根据三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13由步骤12可得,差模电感Ldm由步骤7可得,代入可以得到三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的值。
步骤15,求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24的匝数Nc2;
根据步骤14所确定的三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24的电感值,根据如下公式(9)可以得到三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24的匝数Nc2:
其中,μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率;
Ac为三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感的截面积;(三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的截面积相等)
MPL为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的周长。
步骤16,求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的电感值;
根据如下公式(10)求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的电感值:
式中,
Ccmeq为共模等效电容,由步骤10获得;
f(10)为10个电磁干扰的发射限制线的频率点中的频率最大值,由步骤3可得。
步骤17,求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的匝数Nc3;
根据步骤16所求的三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的电感值,根据公式(11)可求匝数Nc3
其中,μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率;
Ac为三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感的截面积;(三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的截面积相等)
MPL为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的周长。
步骤18,三绕组集成式可变共、差模电感调节电路的设计。
三绕组集成式可变共、差模电感调节电路的设计中包含了运算放大器的设计、阻抗提升系数AN的确立、可变基础电感值Lo的设计、电感值Lo匝数的获取、基础可调电位器配置电阻R1的设计、可调电位器R2的设计,具体过程如下:
18.1运算放大器11的设计;
选取型号为LTC6262ITS8的运算放大器作为三绕组集成式可变共、差模电感调节电路的主控芯片,其典型增益带宽为9kHz-30MHz、供电电压在1.8V-5.25V;
18.2确定三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc38的阻抗提升系数AN;
阻抗提升系数AN需大于0,通常阻抗升压系数范围在1~4之间选取,本发明中选取阻抗提升系数AN为3。
18.3确定基础电感Lo的电感值;
基础电感Lo的值根据公式(12)求得:
式中,
AN为阻抗提升系数,由步骤18.2可得;
Lc3为三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感,由步骤16可得;
18.4基础电感Lo 12匝数No的获取;
根据步骤18.3所选取的基础电感Lo 12的电感值,根据如下公式(13)可以得到基础电感值Lo 12的匝数No
其中,Lo为基础电感值;
μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率;
Ac为三绕组集成式可变共、差模电感的线圈截面积;
MPL为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的周长;
18.5可调电位器配置电阻R19的设计;
可调电位器配置电阻R19接在运算放大器11的负端和输入端,可调电位器配置电阻R19选择阻值为10kΩ或者1kΩ的功率电阻。在滤波器实际设计中可选取阻值为1kΩ,功率为0.2W的功率电阻来作为可调电位器配置电阻。
18.6可调电位器R210的设计;
可调电位器R210可由公式(14)求得:
式中,Lc3为三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感,可由步骤16得到;
Lo为基础电感,可由步骤18.5得到;
R1为可调电位器配置电阻,可由步骤18.5得到。
步骤19,辅助开关电源13的设计。
辅助开关电源13根据步骤18.1所选运算放大器11的供电电压范围,选取输出电压为±12V的开关电源。
Claims (10)
1.无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器,其特征在于:包括接入设备的三条输入线,分别为L线、N线和PE线,L线和N线之间设有三绕组集成式可变共、差模电感,三绕组集成式可变共、差模电感的两端分别设有差模电容Cx1(1)和差模电容Cx2(5),三绕组集成式可变共、差模电感上还连接有三绕组集成式可变共、差模电感调节电路,N线和PE线之间设有共模电容Cy1(6),L线和PE线之间设有共模电容Cy2(7),共模电容Cy1(6)和共模电容Cy2(7)分别为N线和L线对地的寄生共模电容;
所述三绕组集成式可变共、差模电感包括三绕组集成式可变共、差模电感线圈磁芯(2),三绕组集成式可变共、差模电感线圈磁芯(2)上分别绕制有三绕组集成式可变共、差模电感主绕组Lc1(3)、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组Lc2(4)及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3(8),三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3(8)与所述三绕组集成式可变共、差模电感调节电路连接;
所述三绕组集成式可变共、差模电感调节电路包括功率放大器(11),功率放大器(11)的负端和输出端之间的回路上分别连接有可调电位器配置电阻R1(9)和可调电位器R2(10),可调电位器配置电阻R1(9)与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3(8)连接,运算放大器(11)的正端和输出端之间的回路上连接有基础电感Lo(12),运算放大器(11)通过辅助开关电源(13)供电。
2.无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:具体包括如下过程:
步骤1,测取拟被滤波开关电源的电磁干扰发射频谱;
步骤2,确定拟被滤波开关电源的电磁干扰的发射限制线;
步骤3,根据步骤1和步骤2所得结果确定滤波器截止频率fc的变化范围;
步骤4,确定EMI滤波器三绕组集成式可变共、差模电感磁芯材质;
步骤5,确定滤波器的插入损耗IL;
步骤6,根据步骤5所得结果确定滤波器的最大电压降ΔU;
步骤7,根据步骤6所得结果求滤波器差模电感Ldm的电感值;
步骤8,根据步骤3和步骤7所得结果求差模等效电容Cdmeq的电容值;
步骤9,根据步骤8所得结果确定滤波器差模电容Cx1和差模电容Cx2的电容值,差模电容Cx1和差模电容Cx2的电容值均为差模等效电容Cdmeq的一半;
步骤10,求滤波器共模等效电容Ccmeq的电容值;
步骤11,根据步骤10所得结果确定滤波器共模电容Cy1和共模电容Cy2的电容值;共模电容Cy1和共模电容Cy2的电容值均为共模等效电容Ccmeq的一半;
步骤12,根据步骤11所得结果确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1的电感值;
步骤13,求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1的匝数Nc1;
步骤14,根据步骤7所得结果确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的电感值;
步骤15,求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的匝数Nc2;
步骤16,根据步骤10和步骤3所得结果求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3的电感值;
步骤17,求三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感Lc3的匝数Nc3;
步骤18,设计三绕组集成式可变共、差模电感调节电路;
步骤19,设计与三绕组集成式可变共、差模电感调节电路匹配的辅助开关电源。
3.根据权利要求2所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤3的具体过程如下:将步骤1获取的电磁干扰频谱与步骤2确定的电磁干扰的发射限制线进行比对,找出第一个超过步骤2确定的电磁干扰的发射限制线的频率点,这样可以得到10个频率点,把这10个频率点从小到大进行排序,用f(1)~f(10)表示,这个f(1)~f(10)从小到大的变化范围就是截止频率fc的变化范围。
4.根据权利要求2所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤5的具体过程如下:滤波器插入损耗IL在选取时根据拟被滤波开关电源的额定功率P来确定,确定准则如下:
当额定功率P在P<20W范围内时,插入损耗IL取值为2dB;
当额定功率P在20W≤P<50W范围内时,插入损耗IL取值为3dB;
当额定功率P在50W≤P<100W范围内时,插入损耗IL取值为4dB;
当额定功率P在100W≤P<1kW范围内时,插入损耗IL取值为5dB;
当额定功率P在1kW≤P≤50kW范围内时,插入损耗IL取值为7dB;
当额定功率P在P>5kW范围内时,插入损耗IL取值为10dB。
5.根据权利要求4所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤6的具体过程为,由如下公式(2)求滤波器最大电压降ΔU:
式中,U1为拟被滤波开关电源的输入电压,IL为滤波器的插入损耗。
6.根据权利要求5所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤7的具体过程如下:滤波器差模电感Ldm值按照如下公式(3)确定:
其中,ΔU为滤波器的最大电压降,由步骤6可得;
f为拟滤波开关电源的工作频率;
I为拟滤波开关电源的额定电流。
7.根据权利要求6所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤8的具体过程为,
根据步骤7所获取的差模电感值,用如下公式(4)可以得出滤波器所需的差模电容等效电容Cdmeq:
式中,fc为步骤3中确定的10个截止频率f(1)~f(10)的平均值fAverage。
8.根据权利要求7所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤10的具体过程为:
通过如下公式(5)求共模等效电容Ccmeq的电容值:
其中,Ig为拟被滤波开关电源设备的最大漏电流,
U为拟被滤波开关电源的供电电压;
f为拟被滤波开关电源的工作频率。
9.根据权利要求8所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤12的具体过程为:
根据如下公式(6)求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13的电感值:
式中,
Ccmeq为共模等效电容,由步骤10获得,
f(1)为10个电磁干扰的发射限制线的频率点中的频率最小值,由步骤3可得。
10.根据权利要求9所述的无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器的设计方法,其特征在于:所述步骤14的具体过程为:
三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc1以及差模电感Ldm之间存在以下等式关系:
式中,根据三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc13由步骤12可得,差模电感Ldm由步骤7可得,代入可以得到三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感Lc2的值。
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