CN109617391B - 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

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C_x1和差模电容C_x2，三绕组集成式可变共、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C_y1，L线和PE线之间设有共模电容C_y2，共模电容C_y1和共模电容C_y2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

无级可控抑制能力的开关电源EMI滤波器及其设计方法

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C_x1和差模电容C_x2，三绕组集成式可变共、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C_y1，L线和PE线之间设有共模电容C_y2，共模电容C_y1和共模电容C_y2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L_c1、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组L_c2及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3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运算放大器，运算放大器的负端和输出端之间的回路上连接有可调电位器R₂，可调电位器电阻R₁与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3一端连接，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3的另一端与运算放大器的正端连接，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L_o，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f_c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L_dm的电感值；

步骤8，根据步骤3中确定的滤波器截止频率f_c的变化范围中的平均值f_Average和步骤7所得滤波器差模电感L_dm的电感值求差模等效电容C_dmeq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C_x1和差模电容C_x2的电容值，差模电容C_x1和差模电容C_x2的电容值均为差模等效电容C_dmeq的一半；

步骤10，求滤波器共模等效电容C_cmeq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C_y1和共模电容C_y2的电容值；共模电容C_y1和共模电容C_y2的电容值均为共模等效电容C_cmeq的一半；

步骤12，根据步骤3中确定的滤波器截止频率f_c的变化范围中的最小值f(1)和步骤10所得滤波器共模等效电容C_cmeq的电容值来确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c1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L_c1的匝数N_c1；

步骤14，根据步骤7滤波器差模电感L_dm的电感值结果和步骤12确定的三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c1的电感值结果来确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c2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L_c2的匝数N_c2；

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L_c3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L_c3的匝数N_c3；

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；

根据步骤1～19设计的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C_x1和差模电容C_x2，三绕组集成式可变共、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C_y1，L线和PE线之间设有共模电容C_y2，共模电容C_y1和共模电容C_y2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L_c1、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组L_c2及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3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运算放大器，运算放大器的负端和输出端之间的回路上连接有可调电位器R₂，可调电位器电阻R₁与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3一端连接，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3的另一端与运算放大器的正端连接，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L_o，运算放大器通过辅助开关电源供电。

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f_c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＞50kW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L_dm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C_dmeq：

式中，f_c为步骤3中确定的10个截止频率f(1)～f(10)的平均值f_Average。

步骤10的具体过程为：

通过如下公式(5)求共模等效电容C_cmeq的电容值：

其中，I_g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L_c13的电感值：

式中，

C_cmeq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L_c2和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c1以及差模电感L_dm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L_c1由步骤12可得，差模电感L_dm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L_c2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C_x1,2.三绕组集成式可变共、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L_c1,4.三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c2,5.差模电容C_x2，6.共模电容C_y1，7.共模电容C_y2，8.三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3，9.可调电位器电阻R₁，10.可调电位器R₂,11.运算放大器,12.基础电感L_o，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Z_N,15.线性阻抗稳定网路自电阻R_LISN(L)，16.线性阻抗稳定网路自电阻R_LISN(N)，17.线性阻抗稳定网路自电容C_LISN(L),18.线性阻抗稳定网路自电容C_LISN(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C_x11和差模电容C_x25，三绕组集成式可变共、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C_y16，L线和PE线之间设有共模电容C_y27，共模电容C_y16和共模电容C_y27分别为N线和L线对地的寄生共模电容。

上述差模电容C_x11和差模电容C_x25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C_y16和共模电容C_y27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L_c13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组L_c24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38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运算放大器11，运算放大器11的负端和输出端之间的回路上连接有可调电位器R₂10，可调电位器电阻R₁9与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38一端连接，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38的另一端与运算放大器11的正端连接，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L_o12，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L_o12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L_c38可由表

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，R_LISN(L)17和R_LISN(L)18为线性阻抗稳定网路的自电阻，阻值均为50Ω，差模电容C_x11和差模电容C_x25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C_y16和共模电容C_y27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L_c13和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c25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Z_N14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，R_LISN(L)17和R_LISN(L)18为线性阻抗稳定网路的自电阻，阻值均为50Ω，C_LISN(L)15和C_LISN(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C_y16和共模电容C_y27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L_c13和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c24、辅助绕组电感L_c38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Z_N14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f_c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f_c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＞50kW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L_dm；

滤波器差模电感L_dm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L_dm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C_dmeq；

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C_dmeq：

式中f_c为步骤3中确定的10个截止频率f(1)～f(10)的平均值f_Average。

步骤9，确定滤波器差模电容C_x1和差模电容C_x2的电容值；

根据步骤8所得的差模等效电容C_dmeq，差模电容C_x1和差模电容C_x2的电容值均为差模等效电容C_dmeq的一半。

步骤10，求滤波器共模等效电容C_cmeq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I_g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，I_g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C_y16和共模电容C_y27的电容值。

根据步骤10所得的共模等效电容C_cmeq，共模电容C_y16和共模电容C_y27的电容值均为共模等效电容C_cmeq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L_c13的电感值；

三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c13根据如下公式(6)求得：

式中，

C_cmeq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L_c13的匝数N_c1；

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L_c13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L_c1匝数N_c1

其中，μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率；

A_c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L_c13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38的截面积相等)

M_PL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L_c2的电感值；

三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c24和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c13以及差模电感L_dm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L_c13由步骤12可得，差模电感L_dm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L_c2的值。

步骤15，求三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c24的匝数N_c2；

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L_c24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L_c24的匝数N_c2：

其中，μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率；

A_c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L_c13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38的截面积相等)

M_PL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L_c38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L_c38的电感值：

式中，

C_cmeq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L_c38的匝数N_c3；

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L_c38的电感值，根据公式(11)可求匝数N_c3

其中，μ为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的磁导率；

A_c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L_c13、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c24及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c38的截面积相等)

M_PL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A_N的确立、可变基础电感值L_o的设计、电感值L_o匝数的获取、基础可调电位器电阻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L_c38的阻抗提升系数A_N；

阻抗提升系数A_N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A_N为3。

18.3确定基础电感L_o的电感值；

基础电感L_o的值根据公式(12)求得：

式中，

A_N为阻抗提升系数，由步骤18.2可得；

L_c3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L_o12匝数N_o的获取；

根据步骤18.3所选取的基础电感L_o12的电感值，根据如下公式(13)可以得到基础电感值L_o12的匝数N_o

其中，L_o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；

A_c为三绕组集成式可变共、差模电感的线圈截面积；

M_PL为三绕组集成式可变共、差模电感磁芯2的周长；

18.5可调电位器电阻R₁9的设计；

可调电位器电阻R₁9接在运算放大器11的负端和输入端，可调电位器电阻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，L_c3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；

L_o为基础电感，可由步骤18.5得到；

R₁为可调电位器电阻，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 (9)

1.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f_c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L_dm的电感值；

步骤8，根据步骤3中确定的滤波器截止频率f_c的变化范围中的平均值f_Average和步骤7所得滤波器差模电感L_dm的电感值求差模等效电容C_dmeq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C_x1和差模电容C_x2的电容值，差模电容C_x1和差模电容C_x2的电容值均为差模等效电容C_dmeq的一半；

步骤10，求滤波器共模等效电容C_cmeq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C_y1和共模电容C_y2的电容值；共模电容C_y1和共模电容C_y2的电容值均为共模等效电容C_cmeq的一半；

步骤12，根据步骤3中确定的滤波器截止频率f_c的变化范围中的最小值f(1)和步骤10所得滤波器共模等效电容C_cmeq的电容值来确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c1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L_c1的匝数N_c1；

步骤14，根据步骤7滤波器差模电感L_dm的电感值结果和步骤12确定的三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c1的电感值结果来确定三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c2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L_c2的匝数N_c2；

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L_c3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L_c3的匝数N_c3；

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；

根据步骤1～19设计的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C_x1(1)和差模电容C_x2(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C_y1(6)，L线和PE线之间设有共模电容C_y2(7)，共模电容C_y1(6)和共模电容C_y2(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L_c1(3)、三绕组集成式可变共、差模电感主绕组L_c2(4)及三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3(8)，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3(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运算放大器(11)，运算放大器(11)的负端和输出端之间的回路上连接有可调电位器R₂(10)，可调电位器电阻R₁(9)与三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3(8)一端连接，三绕组集成式可变共、差模电感辅助绕组电感L_c3(8)的另一端与运算放大器(11)的正端连接，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L_o(12)，运算放大器(11)通过辅助开关电源(13)供电。

2.根据权利要求1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f_c的变化范围。

3.根据权利要求1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＞50kW范围内时，插入损耗IL取值为10dB。

4.根据权利要求3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。

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7的具体过程如下：滤波器差模电感L_dm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。

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C_dmeq：

式中，f_c为步骤3中确定的10个截止频率f(1)～f(10)的平均值f_Average。

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10的具体过程为：

通过如下公式(5)求共模等效电容C_cmeq的电容值：

其中，I_g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。

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L_c1（ 3） 的电感值：

式中，

C_cmeq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。

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L_c2和三绕组集成式可变共、差模电感主绕组电感L_c1以及差模电感L_dm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L_c1由步骤12可得，差模电感L_dm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L_c2的值。

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