电源滤波器的归一化设计方法

电源滤波器的归一化设计方法

吴佩伦

贵州航天天马机电科技有限公司

摘要：本文阐述了电源滤波器的归一化设计方法，根据插入损耗要求，通过归一化单元电路快速计算出电源滤波器所需的元器件理论参数值，并通过仿真软件和试验验证，证明了此方法的有效性。

关键词：电源滤波器；插入损耗；归一化设计方法；仿真；试验验证

1 引言

所有电气组合类产品定型前都必须通过相关传导干扰标准的测试认证，因此在电气组合内加入电源滤波器，是帮助电气组合通过传导干扰标准的必备条件。本论文结合某项目对电源线上传导干扰衰减需求，从插入损耗要求分析、归一化设计、硬件电路设计与分析、仿真验证、试验验证五个方面阐述了电源滤波器的归一化设计方法，帮助设计人员在实际工况下快速选取所需拓扑和确定有效参数，从而提升系统电磁兼容性。

2插入损耗要求分析

电源线上传导干扰分为线-线间共模干扰与线-地间差模干扰，电源滤波器对传导干扰的衰减能力被称为插入损耗，某项目中对电源滤波器插入损耗要求如下表1：

表1　电源滤波器插入损耗要求表

依据表1中电源滤波器插入损耗要求，绘制共模和差模插损频谱图，如图1，根据频谱图得出滤波器差损所需最小斜率（每10倍频程fT下的dB衰减）得出满足共模和差模插损所需最小阶数与对应的截止频率。

计算时采取频点法，计算多个频率点的衰减量，将每个点的衰减量连接起来，得到一条衰减曲线。计算每10倍频程损耗下降的梯度，而单个元器件的衰减量为20dB。通过与单个元器件的衰减量比较，可得出滤波器阶数。

图1 共模和差模插损频谱图

n为滤波器的阶次，n阶滤波器的衰减斜率为（20n）dB/dec，由图可得当衰减斜率不小于K2时，即衰减速率为40dB/dec的2阶滤波器为满足插入损耗要求最小拓扑，计算方法如下：

n：滤波器阶数

：频谱图中需求取的截止频率

：频谱图中最小频率点

：最小频率点处对应的插入损耗

计算共模截止频率

计算差模截止频率

3归一化设计

归一化LPF，就是截止频率为1/(2π)Hz且特征阻抗为1Ω的LPF，计算过程：归一化低通滤波器→截止频率变换→特征阻抗变换。依据表1中插入损耗要求，选用衰减斜率为40dB/dec，2阶滤波器作为归一化单元电路，电路结构如下：

图2 2阶归一化LPF电路

M值及K值求取公式；

求所要设计的电感值，为归一化滤波器的电感值；

求所要设计的电容值，为归一化滤波器的电容值；

在2阶巴特沃夫归一化LPF电路中，归一化电感值：=1.4142H，归一化电容值：=1.4142F。

计算归一化所需共模电感值Lc

计算归一化所需共模电容值Cc

计算归一化所需差模电感值Ld

计算归一化所需差模电容值Cd

4 硬件电路设计与分析

通过上述电源滤波器的归一化参数计算，依据某项目实际应用工况搭建2阶滤波器硬件电路如下：

Lcm1 共模电感器  Ldm1 差模电感器  Cy 共模电容差模电容(等效值1/2Cy)

图3 电源滤波器硬件电路

其中差模噪声传导路径如下：

图4 差模噪声传导路径

归一化计算结果得到总差模电感值Ld=2.2mH，总差模电容值Cd=1μF，由以上差模等效电路图可得总差模电感值Ld=2Llk+2Ldm1≈2Ldm1=2.2mH，因此可得差模电感器Ldm1=1.1mH，差模电容量Cd=1/2Cy=1μF，对应共模电容器Cy=2μF。

共模噪声传导路径如下：

图5 共模噪声传导路径

由归一化计算结果得到总共模电感值Lc=8.4mH，总共模电容值Cc=3.4μF，由以上共模等效电路图可得共模电感值Lc=Lcm1+1/2Llk+1/2Ldm1≈Lcm1+1/2Ldm1=8.4mH，又因Ldm1=1.1mH，故共模扼流圈Lcm1=7.85mH，共模而总共模电容值Cc=2Cy=3.4μF，对应单个共模电容器Cy=1.7μF。

以上为插入损耗所需的最小元器件参数。然后根据器件手册选型，对元器件参数进行取整和降额，共模扼流圈Lcm1选型9mH＞7.85mH，差模电感选型2mH＞1.1mH，共模电容选型2μF。

5试验验证

在电磁兼容试验室对电源滤波器进行测试，其性能指标如表3，所有测试结果均满足插入损耗要求。

表2　实测插入损耗表

6结论

通过归一化设计方法，能够快速计算电源滤波器的所需参数和完成器件选项，并通过试验验证确定此方法有效性，快速提升电源滤波器设计效率，缩短产品研制周期。

参考文献：

[1]卞荣. 某型开关电源EMI滤波器的优化设计及研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[2]曹丽萍. 开关电源EMI滤波器研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.。

[3]  卜俊怡，多级EMI滤波器优化设计方法研究，苏州大学 2012