一种EMI滤波器的PSpice仿真设计方法

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开关电源会产生谐波含量丰富的开关噪声,从而对共用同一电源的其他设备产生干扰。这在汽车应用、长距离通信、工业测量等场合特别明显。为了消除这干扰,常需在输入电源和开关变换器间加入EMI滤波器。传统的EMI滤波器设计方法需要进行大量的计算,以确定合适的电抗元件参数,设计过程较繁琐。

PSpice是业界公认的优秀仿真软件,它能对电路进行参数扫描和优化,通过多次反复计算,得出针对某变量的性能曲线,由性能曲线即可找到最佳参数值。因此,针对EMI滤波器设计需要大量、重复计算这一特点,使用Pspice辅助设计有助于优化电路参数,提高设计效率。

1 EMI滤波器的设计步骤

适用于开关电源的EMI滤波器通常应满足以下几个要求:

(1)反射纹波衰减特性:EMI滤波器提供的衰减必须能使输入电源的电流纹波系数达到要求水平;

(2)阻抗特性:在变换器工作的频率范围内,变换器的输入阻抗必须远大于滤波器的输出阻抗,否则可能导致振荡;

(3)上电特性:在阶跃输入的情况下易产生浪涌电流。由于应力及熔断器定额的原因,EMI滤波器应具有一定的吸收浪涌电流的能力。

图1显示了应用于开关电源的EMI滤波器的设计流程。下面结合实例阐述使用PSpice设计的具体方法。假定有一Buck变换器(闭环),输入电压Vin=100~120VDC,输出功率P=2.10 W,电源效率为93.75%,工作频率f=25 kHz。要求设计一个二阶EMI滤波器,使流过电源Vin的电流纹波小于20 mA。根据要求,采用PSpice辅助设计的二阶EMI滤波器的设计步骤如下:

(1)计算开关电源的最小输入阻抗

在闭环系统中,不论电路工作在何种状态,反馈环路总是努力去保持电路的输出功率恒定。因此,从输入端看,开关变换器就像一个负电阻RN。当输入电压变化时,负电阻阻值发生变化。若在变换器前端加一EMI滤波器,由于负阻的影响,可能导致系统振荡。根据Middlebr ook的理论,若滤波器的输出阻抗Zfilter远小于RN,系统不发生振荡。

采用PSpice中模拟行为模型GVALUE建立负阻模型,使用网络传递函数分析语句,TF计算最小RN值。相应的SPICE语句为:GN 10 Value={75/Vin}。可得上述开关电源的最小输入阻抗RN=-39 Ω。

(2)计算输入电流的基波幅值和所需衰减

使用Pspice计算基波幅值有两种方法:

①通过.FOUR语句计算输入电流的基波分量;

②用电流探针测出电流波形,在Probe中直接进行快速傅里叶变换(FFT),使用Toggle Cursor功能找出基波峰值点。

上述两种方法的结果相同,得到的基波幅值I1m=3.15 A,有效值I1rms=2.23 A。

若输入电流波形未知,可预估其形状,然后找出此类电流波形基波可能取得的最大值。具体做法为:在PSpice 中选用合适模型建立相应的激励源,通过参数扫描分析,PARAM求得最大基波幅值。

当I1rms已知时,可求出所需的衰减系数为(用分贝表示):A=45 dB。

(3)计算LC元件值

一般的二阶EMI滤波器的结构如图2所示,其中R1,R2为电感电容的等效串联电阻,开关变换器等效为负电阻RN。EMI滤波器的转折频率f0与衰减系数的关系为:

由上式可得所需EMI滤波器的转折频率应小于1.34kHz。为了获得较好的滤波效果,取L=200μH,C=280 μF。由器件参数表查得等效串联电阻值R1=10 mΩ,R2=150 mΩ。

(4)滤波器的振荡特性

检验滤波器是否振荡的方法有两种:

①直接进行瞬态分析,TRAN,查看RN两端电压波形是否产生振荡;

②计算滤波器的交流输出阻抗。操作方法为:将RN替换为一个幅值为1 A的交流电流源,设定交流扫描区间为1~300kHz,每十倍频取100个点。扫描过程中,PSpice将Vin视为短路。由于电流源的幅值为1 A,则电流源两端的电压值与滤波器输出阻抗在数值上相同。扫描所得的电压曲线可看做EMI滤波器的输出阻抗曲线。使用Toggle cursor功能找到最大阻抗值Zfilter。若Zfilter<<RN,系统不发生振荡。一般来说,当Zfilter与RN有6 dB的容限即可认为系统稳定。

采用方法①进行瞬态分析,仿真时间为15 ms。结果显示,t>9 ms后,输出电压达到稳定状态,即系统无振荡。

采用方法②得到的阻抗曲线显示,当开关变换器的工作频率为676.083 Hz时,滤波器取得最大输出阻抗,阻抗值4.53 Ω远小于RN最小值39 Ω,即系统不发生振荡。

若选择的元件参数不合适导致系统振荡,解决的办法通常有两种:

①重新选择L,C值,再次检验,直到选择的参数使电路稳定。

②增大EMI滤波器的阻尼,抑制振荡。具体方法:在RN两端并联一个RC串联电路,一般取Cdamp=(3~5)C,Rdamp=Zfilter。

上述2种方法都需要多次仿真以确定最佳参数。

在Pspice中综合使用参数扫描和性能分析的方法,可很快找到最佳参数值。

(5)滤波器的上电特性

在许多应用中,输入电压是以阶跃的形式加载的,比如开关的合闸、继电器的闭合等,在这类施加电压的过程中,阶跃电压往往会造成较大的浪涌电流。如不加以限制,此电流有可能损坏器件。EMI滤波器具有吸收浪涌电流的功能,通常可在滤波器前端施加一个从0 V跃变到最大输入电压的阶跃输入,并监测滤波器吸收的电流,以此来评估滤波器的上电特性。

如图2所示,在电路中加入时域开关SW_tclose来模拟阶跃输入。设置开关闭合时刻Tc=1 ms,则相应的阶跃输入为u(t)=Vin·δ(t-Tc)。设置仿真时间为20 ms,最大步长为1μs,测量流过电感的电流IL及流过开关变换器的电流IRN。结果表明,IL_max=9.77 A,IRN_max=16.7 A。根据手册查得所用电感的最大饱和电流IL_sat及开关器件的最大电流IIGBT。因为IL_max<IL_sat,IRN_max<IIGBT,故滤波器的上电特性符合要求。
若选择的元件值造成浪涌电流较大,说明滤波器的阻尼较小,可通过增大滤波器阻尼解决这一问题。具体做法可参照步骤(4)。

2 实验结果

滤波器参数为L=200μH,C=280μF,R1=10 mΩ,R2=150 mΩ。测得加入滤波器前后流过Vin的电流纹波波形如图3所示。

由图3可知,加入滤波器后Iin的纹波显著减小。测得未加入滤波器时Iin基波电流有效值为2.23 A,加入后的有效值为19.1 5 mA。由结果可知,设计的EMI滤波器符合衰减要求。

3 结论

传统的EMI滤波器设计方法涉及大量计算,PSpice可弥补这一不足。采用PSpice辅助设计不但减轻了设计工作量,还能通过合理的优化使电路参数更精确、可靠;使用PSpice仿真还能对EMI滤波器的性能进行多方面的预测,在设计前期发现可能存在的问题并及时解决;另外,上述方法同样适用于高阶EMI滤波器的设计。