CN109639129A - 一种非接触式谐振自耗型emi滤波器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，包括套接在开关电源供电线路L上的高频磁环，高频磁环上缠绕有磁环感应线圈L_g，磁环感应线圈L_g上连接有谐振元件组。本发明还公开了一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，本发明通过高频磁环采用无源非接触的方式，把电磁干扰从电源线传感到高频磁环感应线圈上进行多频谐振式抑制，不仅大幅度减小了EMI滤波器的体积，更可以对特定窄带电磁干扰频谱进行有选择性、有针对性的抑制，使得电磁干扰能量自耗在高频磁环感应线圈的多频谐振无源电路中。

Description

一种非接触式谐振自耗型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干扰技术领域，涉及一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，本发明还涉及上述滤波器的设计方法。

背景技术

开关电源具有重量轻、体积小、效率高的优势，更加上其采用数字化控制使得电源控制更加灵活、指标参数更加精准，现如今开关电源广泛应用于各行各业的电能变换场合。但是，开关电源的高频工作模式、高功率密度趋向使得其电磁干扰也越来越大，尤其是传导电磁干扰，其干扰不仅能量变大，而且频谱越来越宽，高频干扰增加，危害越来越严重。加装EMI滤波器是抑制这种电磁干扰的通用方法，传统的无源EMI滤波器串接在开关电源的供电线路中，通过串联电感对电磁干扰形成高阻抗的阻挡作用，通过并联电容对电磁干扰形成低阻抗的分流作用，这种滤波电路需要实际对接在开关电源的供电线路上，所以体积大、功耗大。另外，这种滤波是由电感和电容形成低通滤波器的模式实现滤波，所以，对电磁干扰的频谱选择性差，对于特别大的特定窄带电磁干扰频谱滤波能力明显不足。基于此，本发明提出一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器及其设计方法，该EMI滤波器通过高频磁环采用无源非接触的方式，把电磁干扰从电源线传感到高频磁环感应线圈上进行多频谐振式抑制，不仅大幅度减小了EMI滤波器的体积，更可以对窄带电磁干扰频谱进行选择性的抑制，使得电磁干扰能量自耗在高频磁环感应线圈的多频谐振无源电路中。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，该EMI滤波器通过高频磁环采用无源非接触的方式，把电磁干扰从电源线传感到高频磁环感应线圈上进行多频谐振式抑制，不仅大幅度减小了EMI滤波器的体积，更可以对特定窄带电磁干扰频谱进行有选择性、有针对性的抑制，使得电磁干扰能量自耗在高频磁环感应线圈的多频谐振无源电路中。

本发明的另一目的是提供一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法。

本发明采用的技术方案是，一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，包括套接在开关电源供电线路L上的高频磁环，高频磁环上缠绕有磁环感应线圈L_g，磁环感应线圈L_g上连接有谐振元件组。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

谐振元件组包括N组谐振支路，每组谐振支路均包括依次连接的多频谐振支路电感L_i、多频谐振支路电容C_i、多频谐振支路接入功耗电阻R_i，多频谐振支路电感L_i和多频谐振支路接入功耗电阻R_i分别连接在磁环感应线圈L_g的两端；i＝1,2,……,N。

本发明采用的另一技术方案是，一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，被滤波开关电源的功率谱密度图的获取；

步骤2，确定功率谱密度中的波峰数n、每个波峰点的电磁干扰功率值P_i和相应频率值f_i；

步骤3，获取被滤波开关电源的电磁干扰电流谱密度；

步骤4，确定电磁干扰电流谱密度图中每个波峰点的电磁干扰电流幅值I_i；

步骤5，确定磁环感应线圈上的多频谐振支路数N；

步骤6，设计高频磁环；

步骤7，设计磁环感应线圈；

步骤8，测取磁环感应线圈内阻值R_g；

步骤9，计算磁环感应线圈电感值L_g；

步骤10，第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}的计算：

步骤11，计算多频谐振支路电容的电容值C_i；

步骤12，计算多频谐振支路电感的电感值L_i；

步骤13，测取多频谐振支路电感的内阻R_{x_i}；

步骤14，计算多频谐振支路接入功耗电阻R_i。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤2的具体过程为：

根据步骤1所得到的被滤波开关电源的功率谱密度图，从低频起始频率向高频终止频率扫描功率值的波峰点，把波峰数记为n，把每个波峰点的功率值记为P_i，每个波峰点相对应的频率值记为f_i，波峰功率值P_i在P₁-P_n中取值，相应的频率值f_i在f₁-f_n中取值；f_i表示第i个频率点的频率值，P_i表示第i频率点对应的电磁干扰功率值。

步骤4的具体过程为：根据步骤2确定的n个波峰电磁干扰功率值P₁-P_n，以及其对应的频率值f₁-f_n，在步骤3获取的被滤波开关电源电磁干扰电流谱密度图中，对应确定出电磁干扰电流值I_i，I_i在I₁-I_n中取值，I_i表示第i个频率点的电磁干扰电流值。

步骤9的具体过程为：

磁环感应线圈电感值L_g按照公式(8)计算获得；

式中：n2为磁环感应线圈的匝数；A_C为高频磁环的磁芯有效截面积；μ_m为高频磁环的磁导率；

M_PL为高频磁环的磁路长度，按照高频磁环的中心直径计算，计算公式为：

M_PL＝π×[d_C+(D_C-d_C)/2] (9)；

式中，D_C为高频磁环的外直径，d_C为高频磁环的内直径。

步骤10的具体过程为：

第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}的计算公式为：

式中，P_i表示第i个频率点的功率值；

I_i表示第i频率点的电流值。

步骤11的具体过程为：

C_i表示第i路多频谐振支路电容值，按照如下公式(11)计算，

式中，R_{loss_i}为步骤10计算的第i谐振支路总功耗电阻值，L_g为步骤9中计算的磁环感应线圈L_g电感值。

步骤12的具体过程为：

L_i表示第i多频谐振支路电感值，多频谐振支路电感值L_i根据LC谐振到频率点f_i选取，采用如下公式(12)计算：

式中，f_i为步骤2中确定的第i频率点的频率值，C_i为步骤11确定的频谐振支路电容值。

步骤14的具体过程为：

根据步骤8得到的磁环感应线圈内阻值R_g，根据步骤13得到的多频谐振支路电感的内阻R_{x_i}，根据步骤10得到的第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}，可由公式(13)计算多频谐振支路接入功耗电阻R_i：

R_i＝R_{loss_i}-R_g-R_{x_i} (13)。

本发明的有益效果是，本发明解决了传统的无源EMI滤波器需要在开关电源的供电线路上实际对接EMI滤波电路造成体积大、功耗大的问题。同时也解决了传统的无源EMI滤波器对特定窄带电磁干扰频谱选择性差，对于特别大的窄电磁干扰频谱滤波能力明显不足的问题。该EMI滤波器通过高频磁环采用无源非接触的方式，把电磁干扰从电源线传感到高频磁环感应线圈上进行多频谐振式抑制，不仅大幅度减小了EMI滤波器的体积，更可以对窄带电磁干扰频谱进行选择性的抑制，使得电磁干扰能量自耗在高频磁环感应线圈的多频谐振无源电路中。

附图说明

图1本发明的一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的电路拓扑图；

图2本发明一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器设计方法中被滤波开关电源发射的传导电磁干扰(EMI)功率谱密度图。

图中，1.开关电源供电线路L,2.高频磁环，3.磁环感应线圈L_g,4.谐振支路I，5.谐振支路II，6.谐振支路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。

本发明一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，结构如图1所示，滤波器的高频磁环2套在了开关电源供电线路L1上，开关电源供电线路L1有电流I通过，高频磁环2上的磁环感应线圈L_g3会吸收电缆线2中流过的电流I所产生的传导型电磁干扰，磁环感应线圈L_g3与谐振元件组相连，谐振元件组会在不同的谐振状态下产生多个谐振频率，从而对不同频段的电磁干扰进行有效的抑制。

所以，接入滤波器的谐振支路数会根据实际被测电缆的电磁干扰频谱来定。磁环感应线圈L_g3与N组谐振支路相连，N组谐振支路分别与磁环感应线圈L_g3串联，N组谐振支路之间相互并联。

每组谐振支路均包括依次连接的多频谐振支路电感L_i、多频谐振支路电容C_i、多频谐振支路接入功耗电阻R_i，多频谐振支路电感L_i和多频谐振支路接入功耗电阻R_i分别连接在磁环感应线圈L_g3的两端；i＝1,2,……,N。

如图1所示，N组谐振支路包括依次串联在磁环感应线圈L_g3上的谐振支路I4、谐振支路II5、……、谐振支路N6；谐振支路I4包括依次连接的多频谐振支路电感L₁、多频谐振支路电容C₁、多频谐振支路接入功耗电阻R₁；多频谐振支路电感L₁和多频谐振支路接入功耗电阻R₁分别连接在磁环感应线圈L_g3的两端；

谐振支路II5包括依次连接的多频谐振支路电感L₂、多频谐振支路电容C₂、多频谐振支路接入功耗电阻R₂，多频谐振支路电感L₂和多频谐振支路接入功耗电阻R₂分别连接在磁环感应线圈L_g3的两端。

谐振支路N6包括依次连接的多频谐振支路电感L_N、多频谐振支路电容C_N、多频谐振支路接入功耗电阻R_N，多频谐振支路电感L_N和多频谐振支路接入功耗电阻R_N分别连接在磁环感应线圈L_g3的两端。

本发明中的EMI滤波器通过高频磁环2采用无源非接触的方式，把电磁干扰从电源线传感到高频磁环2的磁环感应线圈L_g3上进行多频谐振式抑制，不仅大幅度减小了EMI滤波器的体积，更可以对窄带电磁干扰频谱进行选择性的抑制，使得电磁干扰能量自耗在高频磁环感应线圈的无源电路中。该发明还提供了无源谐振支路中的器件选型方法和滤波器具体的设计方法。该滤波器解决了传统的无源EMI滤波器需要实际对接在开关电源的供电线路上造成体积大、功耗大的问题。同时也解决了传统的无源EMI滤波器对特定窄带电磁干扰频谱选择性差，对于特别大的窄电磁干扰频谱滤波能力明显不足的问题。

本发明还提供了一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器设计方法，图2为被滤波开关电源发射的传导电磁干扰(EMI)功率谱密度图；滤波器在设计前，会对开关电源供电线路的感应电流进行测取，会得到类似如图2所示的典型功率谱密度图，图中，f对应每个波峰点的频率，P对应每个波峰点对应的功率。

本发明一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，被滤波开关电源的功率谱密度图的获取；

使用电磁兼容测试设备功率吸收钳在被滤波开关电源供电线路L上进行电磁干扰功率谱密度的测量，获取被滤波开关电源发射的传导电磁干扰(EMI)功率谱密度图，典型示意图如图2所示。

步骤2，确定功率谱密度中的波峰数n、每个波峰点的电磁干扰功率值P_i和相应频率值f_i。

f_i表示第i个频率点的频率值，P_i表示第i频率点对应的电磁干扰功率值；

根据步骤1所得到的被滤波开关电源的功率谱密度图，从低频起始频率向高频终止频率扫描功率值的波峰点，把波峰数记为n，把每个波峰点的功率值记为P_i，每个波峰点相对应的频率值记为f_i，波峰功率值P_i在P₁-P_n中取值，相应的频率值f_i在f₁-f_n中取值。

步骤3，被滤波开关电源的电磁干扰电流谱密度的获取；

使用电磁兼容测试设备高频电流钳对在被滤波开关电源供电线路L上测取电流谱密度图，得到开关电源流出的电磁干扰电流谱密度。

步骤4，确定电磁干扰电流谱密度图中每个波峰点的电磁干扰电流幅值I_i；

I_i表示第i个频率点的电磁干扰电流值，根据步骤2确定的n个波峰电磁干扰功率值P₁-P_n，以及其对应的频率值f₁-f_n，在步骤3获取的被滤波开关电源电磁干扰电流谱密度图中，对应确定出电磁干扰电流值I_i，I_i在I₁-I_n中取值。

步骤5，确定磁环感应线圈上的多频谐振支路数N；

根据步骤2确定的功率谱密度图中的波峰数n，可确定本发明EMI滤波器的多频谐振支路数N，确定公式为：

N＝n (1)；

步骤6，高频磁环的参数设计。

高频磁环采用环形结构，按照以下步骤设计：

6.1，高频磁环磁芯材料选择镍锌铁氧体材质，磁导率μ_m为1600，磁通密度为0.3T；

6.2，测取被滤波开关电源供电线电缆的直径，记为D_l；

6.3，确定高频磁环的内直径d_C，考虑到安装便捷性和磁场耦合性，d_C按照如下公式(2)确定，单位为mm；

D_l+6≤d_C≤D_l+10 (2)；

6.4，确定高频磁环的外直径D_C，D_C取高频磁环的内直径的1.67倍，即

D_C＝1.67d_C (3)；

6.5，确定高频磁环的长度l，l取高频磁环的内直径的0.67倍，即

l＝0.67d_C (4)；

6.6，确定磁环的磁芯有效截面积为A_C，A_C可由公式(5)获得

A_C＝l×(D_C-d_C)/2 (6)；

式中，D_C为高频磁环的外直径，d_C为高频磁环的内直径。

步骤7，设计磁环感应线圈L_g；

磁环感应线圈L_g的设计涉及到线圈绕线材质、线圈绕线直径和线圈的匝数。按照以下方法设计：

7.1，选取磁环感应线圈L_g的绕线材质为金属铜；

7.2，在步骤2中确定的电磁干扰波峰功率值P₁-P_n中，找出电磁干扰功率最大值P_max；

7.3，磁环感应线圈L_g导线的直径根据7.2中的电磁干扰功率最大值P_max选取，选取原则如下：

1)P_max≥0.5W，线圈绕线直径d_D取1.5mm；

2)0.05W≤P_max＜0.5W，线圈绕线直径d_D取1.0mm；

3)0.005W≤P_max＜0.05W，线圈绕线直径d_D取0.8mm；

4)P_max＜0.005W，线圈绕线直径d_D取0.5mm；

7.4，磁环感应线圈L_g的匝数n2按照绕满磁环一周计算，通过如下公式(7)获得：

步骤8，测取磁环感应线圈L_g的内阻值R_g；使用LCR测量仪对EMI感应线圈的内阻进行测取，测取的内阻记为R_g。

步骤9，计算磁环感应线圈电感值L_g；

磁环感应线圈电感值L_g按照公式(8)计算获得；

式中：n2为步骤7.4计算的磁环感应线圈L_g的匝数；A_C为步骤6.6计算的磁环的磁芯有效截面积；μ_m为步骤6.1确定的高频磁环的磁导率；

M_PL为磁环的磁路长度，按照磁环的中心直径计算，计算公式为：

M_PL＝π×[d_C+(D_C-d_C)/2] (9)；

式中，D_C为高频磁环的外直径，d_C为高频磁环的内直径。

步骤10，第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}的计算：

第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}的计算公式为：

式中，P_i表示第i个频率点的功率值，由步骤2可以得到；

I_i表示第i频率点的电流值，由步骤4可以得到。

步骤11，计算多频谐振支路电容的电容值C_i；

C_i表示第i路多频谐振支路电容值，按照如下公式(11)计算，

式中，R_{loss_i}为步骤10计算的第i谐振支路总功耗电阻值，L_g为步骤9中计算的磁环感应线圈L_g电感值。

步骤12，计算多频谐振支路电感的电感值L_i；

L_i表示第i多频谐振支路电感值，多频谐振支路电感值L_i根据LC谐振到频率点f_i选取，采用如下公式(12)计算：

式中，f_i为步骤2中确定的第i频率点的频率值，C_i为步骤11确定的频谐振支路电容值。

步骤13，测取多频谐振支路电感的内阻R_{x_i}。

R_{x_i}表示第i多频谐振支路电感的内阻，使用LCR测量仪对多频谐振支路电感的内阻进行测取，测取的内阻记为R_{x_i}。

步骤14，计算多频谐振支路接入功耗电阻R_i；

根据步骤8得到的磁环感应线圈内阻值R_g，根据步骤13得到的多频谐振支路电感的内阻R_{x_i}，根据步骤10得到的第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}，可由公式(13)计算多频谐振支路接入功耗电阻R_i：

R_i＝R_{loss_i}-R_g-R_{x_i} (13)。

Claims (10)

1.一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，其特征在于：包括套接在开关电源供电线路L上的高频磁环，高频磁环上缠绕有磁环感应线圈L_g，磁环感应线圈L_g上连接有谐振元件组。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器，其特征在于：所述谐振元件组包括N组谐振支路，每组谐振支路均包括依次连接的多频谐振支路电感L_i、多频谐振支路电容C_i、多频谐振支路接入功耗电阻R_i，多频谐振支路电感L_i和多频谐振支路接入功耗电阻R_i分别连接在磁环感应线圈L_g的两端；i＝1,2,……,N。

3.一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，获取被滤波开关电源的功率谱密度图；

步骤2，确定功率谱密度中的波峰数n、每个波峰点的电磁干扰功率值P_i和相应频率值f_i；

步骤3，获取被滤波开关电源的电磁干扰电流谱密度；

步骤4，确定电磁干扰电流谱密度图中每个波峰点的电磁干扰电流幅值I_i；

步骤5，确定磁环感应线圈上的多频谐振支路数N；

步骤6，设计高频磁环；

步骤7，设计磁环感应线圈；

步骤8，测取磁环感应线圈内阻值R_g；

步骤9，计算磁环感应线圈电感值L_g；

步骤10，第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}的计算：

步骤11，计算多频谐振支路电容的电容值C_i；

步骤12，计算多频谐振支路电感的电感值L_i；

步骤13，测取多频谐振支路电感的内阻R_{x_i}；

步骤14，计算多频谐振支路接入功耗电阻R_i。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：

根据步骤1所得到的被滤波开关电源的功率谱密度图，从低频起始频率向高频终止频率扫描功率值的波峰点，把波峰数记为n，把每个波峰点的功率值记为P_i，每个波峰点相对应的频率值记为f_i，波峰功率值P_i在P₁-P_n中取值，相应的频率值f_i在f₁-f_n中取值；f_i表示第i个频率点的频率值，P_i表示第i频率点对应的电磁干扰功率值。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：根据步骤2确定的n个波峰电磁干扰功率值P₁-P_n，以及其对应的频率值f₁-f_n，在步骤3获取的被滤波开关电源电磁干扰电流谱密度图中，对应确定出电磁干扰电流值I_i，I_i在I₁-I_n中取值，I_i表示第i个频率点的电磁干扰电流值。

6.根据权利要求5所述的一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，其特征在于：所述步骤9的具体过程为：

磁环感应线圈电感值L_g按照公式(8)计算获得；

式中：n2为磁环感应线圈的匝数；A_C为高频磁环的磁芯有效截面积；μ_m为高频磁环的磁导率；

M_PL为高频磁环的磁路长度，按照高频磁环的中心直径计算，计算公式为：

M_PL＝π×[d_C+(D_C-d_C)/2] (9)；

式中，D_C为高频磁环的外直径，d_C为高频磁环的内直径。

7.根据权利要求6所述的一种非接触式谐振自耗型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：

第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}的计算公式为：

式中，P_i表示第i个频率点的功率值；

I_i表示第i频率点的电流值。

8.根据权利要求7所述的一种非接触式谐振自耗型EMI滤波器的设计方法，其特征在于：所述步骤11的具体过程为：

C_i表示第i路多频谐振支路电容值，按照如下公式(11)计算，

式中，R_{loss_i}为步骤10计算的第i谐振支路总功耗电阻值，L_g为步骤9中计算的磁环感应线圈L_g电感值。

9.根据权利要求8所述的一种非接触式谐振自耗型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：

L_i表示第i多频谐振支路电感值，多频谐振支路电感值L_i根据LC谐振到频率点f_i选取，采用如下公式(12)计算：

式中，f_i为步骤2中确定的第i频率点的频率值，C_i为步骤11确定的频谐振支路电容值。

10.根据权利要求9所述的一种非接触式谐振自耗型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：

根据步骤8得到的磁环感应线圈内阻值R_g，根据步骤13得到的多频谐振支路电感的内阻R_{x_i}，根据步骤10得到的第i谐振支路总功耗电阻值R_{loss_i}，可由公式(13)计算多频谐振支路接入功耗电阻R_i：

R_i＝R_{loss_i}-R_g-R_{x_i} (13)。