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电磁兼容原理和抑制技术(十七)

2010-09-07 10:28:50 来源:《磁性元件与电源》2010年9月刊 点击:1056

(续上期)
5.4 共模噪声的预估方法
图5.9给出的共模噪声源等效电路模型由Cp和Rp并联组成,它们是开关频率的函数。
预估示例,设一1kW开关电源,工作电压220VAC、开关频率50kHz,要求通过GB6833.9—87A级标准。
1. 开关管集电极与发射极之间的峰值电压Vce,其中由储能电容Cs提供的直流电压峰值=220×=311V。考虑到开关管在关断瞬间电感产生的瞬变电压之后,Vce≈500v=174dBμV(定义1V为0dB)。
2. Vce在50kHz的基波成分,查图5.20为174dBμV-4dBμV =170dBμV。
 3. 已知人工电源网络LISN的阻抗ZLISN=50Ω,输入端反馈噪声值应是Cp∥Rp和ZLISN的分压结果。
Cp取0.5nF,Xc=1/ωCp=6.366kΩ;Rp取10kΩ。
Cp∥Rp:

分压相当于反馈衰减:37.93dBμV。
4. A级要求50kHz处的传导干扰极限值为66dBμV。
5. 开关电源在50kHz处共模传导干扰的超标值
170dBμV-37.93dBμV-66dBμV=66dBμV
5.5 差模噪声的预估方法
图5.19所示给出的差模噪声源等效电路模型是由工频宽带高阻抗噪声源和开关谐波低阻抗噪声源两部分组成的。
5.5.1 开关谐波噪声引起的差模反馈噪声
举5.4节同一开关电源实例。若采用正激变换电路(电流PWM)、输出功率1kW、其储能电容的瞬时峰值电流Ic=Ip=17.6A。
储能电容峰值电流可从开关管支路取样测得。
1. 储能电容呈现的阻抗电压
VAC≈17.6×(ωL+R)=17.6×(2π×50×103×0.5×10-6+1)=20.36V=146.18dBμV
2. 开关电源在50kHz处,差模传导干扰的超标值
146.18μV-4μV-66μV=76.18dBμV
注意:共模噪声和差模噪声的瞬时值不能叠加,因为它们产生的时域不同,共模噪声产生在开关管关断状态,而差模噪声产生在开关管导通状态。
5.5.2 工频宽带噪声引起的差模反馈噪声
举5.4节同一开关电路实例。若开关电源效率η=80%。
则:交流输入功率 p=1kW/ 0.87 =1.28kW
交流电流  I0=1.28kW/220V=5.68A
交流脉动电流峰值 Ip=2~3I0=11.36~17.04A
整流桥二极管内阻可根据二极管损耗特性求得。
一般二极管正向压降VD=1.1V,二极管内阻Ri
则:Ri=VD/I0=0.21。
考虑到整流回路中有二只二极管,所以工频差模最大传导干扰电压:
17.04A×0.21Ω×2=7.157V=137.09dBμV
但GB6833.9-87A级标准没有对工作噪声加以限定。工频脉动电流的产生会使功率因数下降。          
5.6 EMI电源滤波器插入损耗的计算方法
5.6.1 插入损耗的定义
现代滤波器理论是20世纪30年代由考尔(Cauer)、达林顿(Darlington)等人发展起来的,是以插入衰减理论为基础的滤波器设计方法,又称插入衰减法或工作参数法,简称综合法。
完整的网络理论应包括网络分析(近似或逼近)和网络综合两个方面。前者是指已知网络的具体结构和元件参数,求证该网络在激励源e(t)作用下所产生的响应r(t),后者是指已知激励信号e(t)及在它作用下的响应r(t),要求确定能够产生这种响应的具体网络结构和元件参数。
本节要解决的具体综合问题是,设计者在明确了滤波器的通带和阻带衰减要求之后,如何选择(设计)一种网络结构,它的响应函数在实现或近似(逼近)衰减要求时,求出一组可实现的无源元件参数。(因为满足衰减要求的响应函数有多个;即使同一响应函数所对应的元件参数之解,也有有理数和无理数,因此是多解的)。
响应函数以我们要讨论的二端口网络为例,是用策动点函数和转移函数来定义二端口网络的端电压和端电流的。策动点函数表示同一端口的电压和电流之间的关系,因此具有单端口性质,对输入端(输出端开路)策动点阻抗函数定义为:

可用图5.21表示。
转移函数表示一个端口的电压(电流)和另一端口的电压(或电流)之间的关系,以电压转移函数为例,当输出端开路时,电压转移函数定义为:
电压增益=V0(s)/VIN(s)
电压衰减=VIN(s)/V0(s)
但EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I.L(Insertion Loss)来衡量。插入损耗定义为,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。滤波器接入前、后的电路如图5.22(a) 、(b) 所示。
I.L=10log(P1/P2)                           (5.21)
P1=V12/RL
P2=V22/RL
所以                    
I.L=10log(V12/V22)=20log(V1/V2)                (5.22)  
由图5.22(a)可得:
                               (5.23)  
图5.22(b)网络的传输方程为:
V1'=a11V2+a12I2                                                 (5.24) 
I1=a21V2+a22I2                                                  (5.25) 
同时
V1'=VS-I1RS                                                         (5.26)  
V2=I2RL                                                             (5.27)
(5.24)(5.25)(5.26)(5.27)联立可解出V2:
               (5.28)  
 然后,将(5.28)(5.23)代入(5.22)式求得:
          (5.29)  
对图5.22(b),我们采用A参数表示滤波器网络,A参数矩阵为:

所以EMI滤波器插入损耗和上述转移电压衰减的定义是不同的,因此不能直接照搬应用,为此EMI滤波器的插入损耗(函数)需要重新推导。
5.6.2 电源滤波器一般常用的典型电路
从以上对开关电源干扰的分析和实测的结果,都说明开关电源的干扰频率和频域要比工频电源的频率50Hz~400Hz高得多和宽得多。因此,作为抑制干扰的电源滤波器应该是一个性能优良的低通滤波器,它只让工频通过,要抑制除工频外的一切无用或有害干扰频率。根据抑制干扰的程度又分为一般性能和高性能两种电源滤波器。
图5.23、图5.24给出单环和双环电源滤波器的典型电路,前者为一般性能电路;后者为高性能电路。我们可以根据共模、差模干扰的定义,剖析图5.23、图5.24中的共模等效电路和差模等效电路。图5.23中的电感L及其标志代表共模扼流圈,对于P或N对地引入的共模干扰,均采用由电感L和电容Cy构成的对地对称的L型滤波电路,见图5.25;对于P或N之间引入的差模干扰,采用旁路电容Cx抑制,见图5.26。图5.24中对于P或N对地引入的共模干扰,均采用由电感L1、L2和Cy构成的对地对称的T型滤波电路,见图5.27;对于P、N之间引入的差模干扰,采用三个并联的Cx旁路电容抑制,见图5.28。图5.24中的R是泄放电阻(阻值较高),是为了在不工作时迅速泄放储存在Cx中的电荷,以免电击操作人员。
在实际应用中,滤波器还有许多其他电路,如π型电路等,在这就不一一列举了。
5.6.3 低频共模插入损耗的推导
1. 单环共模插入
由图5.25可求出A参数矩阵:

将A参数代入(5.29)式,可得I.LCM:

2. 双环共模插入损耗
由图5.27可求出A参数矩阵:

将A参数代入(5.29)式可得:

5.6.4 低频差模插入损耗I.LDM的推导
对差模干扰起作用的除了线间电容Cx外,两只Cy电容串联后也构成线间电容。虽然共模扼流圈理论上对差模干扰不起作用,但在实际生产中,两个绕组不可能做到完全平衡(引线长度和漏感的不完全对称),所以存在不平衡电感Le,Le的值一般<L/100。
1. 单环差模插入损耗
由图5.26给出的单环差模等效电路可求出A参数矩阵,其中C 'x2表示Cy/2

将A参数代入(5.29)式可得I.LDM: 

2. 双环差模插入损耗
图5.28给出双环差模等效电路,计算时令Cx2 =(Cx2+Cy/2)。

可求出A参数矩阵:

将A参数代入(5.29)式,可得I.LDM
单环加差模电感的典型电路如图5.29所示。图5.30(a)、(b)给出共模干扰的等效电路,

其中ICM=L+LD
一般LDL,因此计算I.LCM时,只需将(5.30)式中的L换成LCM就可以了。
图5.31(a)、(b)给出差模干扰的等效电路,其中LDM=Le+2LD,Cx2=(Cx2+Cy/2)。一般Le<2LD。
可看出图5.31(b)和图5.26等效电路完全一样。因此,计算I.LDM时,只需将(5.32)式中的Le换成LDM就可以了。
至于双环加差模电感的电源滤波器可以用同样方法,画出它们的共模和差模等效电路,求出A参数。然后将A参数代入相应的公式,即可求出相应的插入损耗。只不过计算A参数和插入损耗比较繁琐,这里就不一一介绍了。

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