基于Matlab-GUI的EMI滤波器设计

2013-05-26王家校

电气技术 2013年11期

王家校

（上海鹰峰电子科技有限公司，上海 201604 ）

电子工业技术的飞速发展，带动了一系列新兴学科，电磁兼容也成为新秀并不断发展和壮大。经过10年发展，尤其随着变频器以及高频脉宽调制等变流技术在各种电源设备、传动设备等的广泛使用，其工作频率的不断提高，形成设备间互相干扰，情况日益严重，电磁兼容性问题已成为电路设计工程师面临的极为棘手问题[1]。目前加装电源滤波器成了解决传导和辐射的有效手段，并在电子设备的电源输入中广泛应用。但是怎么选择一个现有的滤波器或者设计一个能满足需要的滤波器呢？工程师们往往显得比较盲目，多数凭借经验作尝试。首先根据经验使用一个滤波器，如果不能满足要求再重新修改设计或者换另一个新的滤波器。因此，要找到一个合适的EMI滤波器就成为一个费时且高成本的任务。这也迫切需要提供一种能够快速解决问题的办法。

基于Matlab-GUI的EMI滤波器设计方法及建立的仿真平台充分利用了Matlab强大的计算功能，使仿真出来的共模、差模插入损耗曲线，及其他EMI滤波器相应参数曲线具有很好的光滑性，更高的计算精度。能使设计出来的滤波器参数不仅符合现场实际的状况，而且能把设计人员从繁重的计算工作中解脱出来，通过仿真就可以了解滤波器各项性能指标，因此在设备投入使用前就可以全面掌握，清晰明了。

1 干扰特性

在解决问题前，首先对电子系统产生的总的干扰情况要有清晰的了解，需要知道共模干扰是多少？差模干扰是多少？标准要求抑制多少干扰电压等？明确了这些干扰特性我们才能根据实际的需要提出要求，选择材料并进行计算和设计。

2 EMI滤波器的原理及设计

电磁噪声不可避免，但减少传导干扰的方法通常有多种，如合理铺设地线、采取星型铺地、避免环形地线等，以尽可能减少公共阻抗；设计合理的缓冲电路；减少电路杂散电容等。但最主要还是利用EMI滤波器衰减各种传导干扰，特别是电网与设备电源对彼此的噪声干扰[2]。EMI滤波器在设计时，需要针对共模干扰与差模干扰不同的截止频率，分别设计相对应的元件参数。共模干扰和差模干扰形成的原因不一样，同时两者在电磁干扰中所占频谱范围也不一样[3]：

1）0.1MHz以内，主要以差模干扰为主。

2）0.1～1MHz内，差模和共模干扰共存。

3）1～30MHz内，主要以共模干扰为主。

可见共模干扰所占频谱较宽，有助于解决电磁干扰滤波器采用不同拓扑结构形式。

2.1 EMI滤波器插入损耗

插入损耗是频率的函数。通常把插入损耗随频率变化的曲线称为滤波器的频率特性。滤波器的插入损耗越大，滤波效果越好。EMI电源滤波器插入损耗的定义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1，和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示[4]。滤波器接入前、后的电路如图1的EMI滤波器插入损耗框图（a）、（b）所示。

图1 EMI滤波器插入损耗框图

由于：P1=V12/RL，P2=V22/RL

所以：

又有：

根据图1（b）的网络传输方程，同时有

最后可以推导出插入损耗的计算公式：

插入损耗是EMI滤波器的重要技术参数，在设计和选用时应予主要考虑。在EMI滤波器的安全、常规电气性能、环境及机械等条件都满足要求时，应尽量选择插入损耗值大些[5]。插入损耗可分为共模插入损耗和差模插入损耗。

2.2 工作原理

1）共模电感

如图2所示在同一磁环上绕上两组方向相反的线圈，据右手螺旋管定则，当在输入端A，B两端加上极性相反，信号幅值相同的差模电压时，形成如实线所示电流I2，在磁心中产生实线所示的磁通Φ2，只要保证两绕组完全对称，则磁芯中两个不同方向磁通相互抵消，线圈磁通就为零，线圈电感几乎为零，对差模信号无阻抗作用[3]。若在输入端A，B两端加上极性相同，幅值相等的共模信号时，如虚线所示电流I1，在磁心中产生虚线所示磁通Φ1，则磁心中磁通有相同的方向而互相加强，使每一线圈的电感值为单独存在时的两倍，而XL=ωL，因此，此一绕法的线圈对共模干扰有很强的抑制作用[6]。