單相線路濾波器的設(shè)計(jì)方案

線路濾波器的動(dòng)機(jī)

開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)干擾，因?yàn)樗鼈儠?huì)在電源側(cè)產(chǎn)生無(wú)線電干擾電壓。這可能會(huì)干擾其他使用主電源供電的設(shè)備。線路濾波器有助于抑制產(chǎn)生的無(wú)線電干擾電壓。這些可以通過(guò)無(wú)源元件輕松設(shè)計(jì)，例如電流補(bǔ)償線路扼流圈和 X/Y 電容器。本文涉及單相線路濾波器的設(shè)計(jì)。

SMPS 輸入端的寄生電流

寄生電流通過(guò)阻抗導(dǎo)致無(wú)線電干擾電壓。 圖 1 顯示了 SMPS 中寄生電流的主要電流。

圖 1：SMPS 輸入端的寄生電流

最初，高頻有功電流 (i DM) 以開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的脈沖頻率在電源側(cè)流動(dòng)，從而導(dǎo)致差模干擾。由半導(dǎo)體元件(通常是 MOSFET)的快速開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的高頻振蕩與寄生效應(yīng)相結(jié)合。原則上，差模電流從主電源線 (L) 流過(guò)整流橋，然后流過(guò)隔離變壓器的初級(jí)繞組、MOSFET 和中性導(dǎo)體 (N) 回到主電源。MOSFET 安裝在散熱器上以進(jìn)行冷卻。反過(guò)來(lái)，它連接到保護(hù)接地導(dǎo)體 (PE)。散熱片和 MOSFET 的漏極之間的電容耦合發(fā)生在這里并產(chǎn)生共模干擾。電容耦合共模電流 (i CM) 現(xiàn)在沿著 PE 流回到 SMPS 輸入，在那里它通過(guò) L 和 N 上的寄生電容再次耦合 。如圖 1所示，i CM現(xiàn)在流 過(guò)兩條主電源線，通過(guò)整流橋到達(dá) MOSFET ，它再次通過(guò)散熱器寄生耦合到 PE。

預(yù)期干擾頻譜

整流后的電源電壓施加在漏源部分。整流電源電壓的峰值電平對(duì)應(yīng)于：

已使用脈沖頻率為 100 kHz 的 SMPS 作為示例。對(duì)于此脈沖頻率，定時(shí)信號(hào)對(duì)應(yīng)于 T = 10 μs。脈沖持續(xù)時(shí)間為 2 μs。基于此，首先可以確定占空比：

假設(shè)通過(guò)整流橋的電流是梯形的，則可以近似確定沒(méi)有線路濾波器和進(jìn)一步傅立葉變換的 EMC 譜。首先需要封閉幅度譜密度的第一個(gè)角點(diǎn)：

封閉幅度譜密度的第一個(gè)轉(zhuǎn)角頻率類似于：

可以由此確定一次諧波的幅度：

基于SMPS 和地之間的寄生耦合電容 ( CP ) 為 20 pF的假設(shè)，現(xiàn)在可以確定一次諧波共模電流：

無(wú)線電干擾電壓是使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 和 EMC 測(cè)試接收機(jī)測(cè)量的。由于 EMC 測(cè)試接收機(jī)的 50 Ω 輸入阻抗和 LISN 的 50 Ω 輸出阻抗的并聯(lián)，產(chǎn)生了 25 Ω 的總阻抗 (Z)。現(xiàn)在可以計(jì)算測(cè)得的無(wú)線電干擾電壓 (V CM )：

轉(zhuǎn)換為分貝微伏，這給出：

計(jì)算結(jié)果是可以預(yù)期的高干擾發(fā)射。例如，此處可以使用產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn) EN 55022 來(lái)評(píng)估干擾發(fā)射。在 0.15 MHz 至 0.5 MHz 的頻率范圍內(nèi)，它定義了 66 dBμV 至 56 dBμV 的準(zhǔn)峰值加權(quán)干擾電平。 圖 2 顯示了此無(wú)線路濾波器的 SMPS 的傳導(dǎo)無(wú)線電干擾電壓的測(cè)量結(jié)果。

圖 2：不帶線路濾波器的 SMPS 的無(wú)線電干擾電壓

測(cè)量表明，線路濾波器是絕對(duì)必要的。

線路濾波器的設(shè)計(jì)

圖 3 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的單相線路濾波器的原理圖設(shè)計(jì)。Würth Elektronik 提供各種型號(hào)的線路扼流圈，例如 WE-CMB 系列，用于構(gòu)建線路濾波器。線路扼流圈基本上由錳鋅環(huán)芯組成，在其上有兩個(gè)沿相反方向繞制的幾何分離的繞組。 圖 4 顯示了 WE-CMB 的設(shè)計(jì)。在這種情況下，WE-CMB 就像一個(gè)濾波器線圈，它抵消電流并降低其幅度。應(yīng)選擇在最低頻率范圍內(nèi)具有盡可能低自諧振頻率 (SRF) 的共模扼流圈，因?yàn)榇颂幨褂玫?SMPS 以非常低的脈沖頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。低 SRF 會(huì)導(dǎo)致低頻范圍內(nèi)的高衰減。

圖 3：?jiǎn)蜗嗑€路濾波器

圖 4：WE-CMB 的設(shè)計(jì)

圖 5 顯示了 WE-CMB，尺寸 XS，電感為 39-mH，在 50-Ω 系統(tǒng)中的衰減特性曲線。

圖 5：WE-CMB XS 39 mH 的衰減

共模(黑線)和差模(紅色，虛線)抑制之間的衰減總是有區(qū)別的。在共模操作中，WE-CMB 線路扼流圈在 150 kHz 時(shí)達(dá)到其最大衰減。然而，衰減隨著頻率的增加而下降。需要其他 X/Y 電容器，因?yàn)榫€路濾波器應(yīng)抑制高達(dá) 30 MHz 的干擾。X 電容器放置在線路濾波器之前和之后，以阻止來(lái)自電源側(cè)和 SMPS 的差模干擾。WE-CMB憑借其漏感，與X電容組合形成低通濾波器，降低差模干擾和后續(xù)共模干擾。此處選擇了兩個(gè)值為 330 nF 的 X 電容器作為示例。它們的 SRF 約為 2 MHz。

出于安全原因，如果 SMPS 與電源斷開(kāi)，則必須在電源側(cè)放置一個(gè)與 X 電容器并聯(lián)的電阻器以對(duì)電容器放電。還應(yīng)在線路濾波器之前放置一個(gè)壓敏電阻，以便將來(lái)自電源的瞬態(tài)過(guò)電壓短路。Würth Elektronik WE-VD 系列盤式壓敏電阻器非常適合此用途。還必須考慮過(guò)載保護(hù)，例如保險(xiǎn)絲，并且應(yīng)始終放置在壓敏電阻之前。保護(hù)在壓敏電阻短路的情況下跳閘。需要Y電容進(jìn)一步抑制共模干擾。結(jié)合 WE-CMB，它們形成轉(zhuǎn)角頻率 (f 0 )，由 Thomson 振蕩方程定義：

需要衰減 40 dB 才能達(dá)到低于 66 dBμV(150 kHz)允許干擾電平的電平。這對(duì)應(yīng)于對(duì)數(shù)表示中的兩個(gè)十年。脈沖頻率的十分之一用作轉(zhuǎn)角頻率或進(jìn)一步計(jì)算 Y 電容器的因子。現(xiàn)在轉(zhuǎn)換振蕩方程并用于確定 Y 電容：

由于需要兩個(gè) Y 電容，計(jì)算值除以 2。Y 電容將共模干擾從 SMPS 傳導(dǎo)回 PE。根據(jù)設(shè)備類型，僅允許 0.25 mA 至 ≤3.5 mA 的漏電流;不應(yīng)使用值大于 4.7 nF 的電容。為此，選擇了兩個(gè) E12 值為 2.2 nF 的 Y 電容器。 圖 6 顯示了使用該線路濾波器的測(cè)量結(jié)果。

圖 6：帶線路濾波器的無(wú)線電干擾電壓

電路中有濾波器，無(wú)線電干擾電壓測(cè)試的結(jié)果是通過(guò)。相應(yīng)干擾限值與 150 kHz 頻率下的準(zhǔn)峰值和平均測(cè)量值之間的余量大于 10 dB，并且該余量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)顯著增加。

線路濾波器的優(yōu)化

還可以進(jìn)一步提高低頻范圍內(nèi)的信號(hào)干擾比。為此，兩個(gè) 330 nF 的 X 電容器被替換為兩個(gè) 1.5-μF 的 X 電容器。 圖 7 顯示了優(yōu)化線路濾波器的測(cè)量結(jié)果。

圖 7：具有優(yōu)化線路濾波器的無(wú)線電干擾電壓

電容的變化會(huì)導(dǎo)致低頻范圍內(nèi)的無(wú)線電干擾電壓降低約 15 dB。已實(shí)現(xiàn)更大的信號(hào)干擾比并設(shè)計(jì)了良好的線路濾波器。

由于取消線路扼流圈而導(dǎo)致的錯(cuò)誤

一開(kāi)始經(jīng)常嘗試只使用 X 和 Y 電容器來(lái)抑制干擾，以省去共模扼流圈。但是，這與線路濾波器通過(guò)增加高阻抗濾波器元件來(lái)抵消干擾電流的原理相違背。作為實(shí)驗(yàn)，使用沒(méi)有共模扼流圈的相同濾波器測(cè)量了無(wú)線電干擾電壓。 圖 8 顯示了測(cè)量結(jié)果。

圖 8：帶線路濾波器的無(wú)線電干擾電壓，不帶 WE-CMB

正如預(yù)期的那樣，在沒(méi)有 WE-CMB 線路扼流圈的情況下，低頻范圍內(nèi)的干擾發(fā)射會(huì)強(qiáng)烈增加。在 200 kHz 時(shí)，準(zhǔn)峰值顯示的值約為 78 dBμV，平均值顯示的值為 60 dBμV。準(zhǔn)峰值和平均測(cè)量都超過(guò)了允許的干擾電平，最高可達(dá) 600 kHz。沒(méi)有線路扼流圈的線路濾波器是不夠的。

附加差模濾波器

如果使用 WE-CMB 和 X 電容器的差模抑制不夠充分，則由兩個(gè)串聯(lián)線圈組成的附加差模濾波器會(huì)有所幫助。 圖 9 顯示了該設(shè)計(jì)。

圖 9：帶有 WE-CMB 和 WE-TI HV 的線路濾波器

Würth Elektronik 線圈 WE-TI HV 和 WE-PD2 HV 或 WE-SD 系列非常適合差模抑制。高頻干擾情況下推薦使用WE-UKW系列。此處可以再次使用 Thomson 振蕩方程來(lái)計(jì)算線圈。如果每個(gè)線圈需要 40 dB/十倍頻程的衰減，則應(yīng)使用脈沖頻率的十分之一的轉(zhuǎn)角頻率進(jìn)行計(jì)算。

X電容已經(jīng)使用的X值可用于線圈的計(jì)算：

由于差模電流的線圈串聯(lián)，計(jì)算值除以 2。 WE-TI HV 的下一個(gè)較大電感值為 470 μH。差模線圈的選擇應(yīng)保證其額定電流(I R)遠(yuǎn)高于SMPS輸入的額定電流。

線路濾波器的結(jié)果

總之，沒(méi)有共模扼流圈的開(kāi)關(guān)模式電源的線路濾波器是不夠的。單個(gè)電容器不足以完全抑制干擾發(fā)射。如果需要進(jìn)一步抑制差模干擾，則線路濾波器之前的附加縱向線圈會(huì)有所幫助。使用線路濾波器，所有干擾水平都低于允許的極限值，并且 SMPS 可以通過(guò) EMC 測(cè)試。

審核編輯：湯梓紅