基于Matlab-GUI的EMI濾波器設(shè)計(jì)

王家校

（上海鷹峰電子科技有限公司，上海 201604 ）

電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了一系列新興學(xué)科，電磁兼容也成為新秀并不斷發(fā)展和壯大。經(jīng)過10年發(fā)展，尤其隨著變頻器以及高頻脈寬調(diào)制等變流技術(shù)在各種電源設(shè)備、傳動(dòng)設(shè)備等的廣泛使用，其工作頻率的不斷提高，形成設(shè)備間互相干擾，情況日益嚴(yán)重，電磁兼容性問題已成為電路設(shè)計(jì)工程師面臨的極為棘手問題[1]。目前加裝電源濾波器成了解決傳導(dǎo)和輻射的有效手段，并在電子設(shè)備的電源輸入中廣泛應(yīng)用。但是怎么選擇一個(gè)現(xiàn)有的濾波器或者設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足需要的濾波器呢？工程師們往往顯得比較盲目，多數(shù)憑借經(jīng)驗(yàn)作嘗試。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用一個(gè)濾波器，如果不能滿足要求再重新修改設(shè)計(jì)或者換另一個(gè)新的濾波器。因此，要找到一個(gè)合適的EMI濾波器就成為一個(gè)費(fèi)時(shí)且高成本的任務(wù)。這也迫切需要提供一種能夠快速解決問題的辦法。

基于Matlab-GUI的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法及建立的仿真平臺(tái)充分利用了Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能，使仿真出來的共模、差模插入損耗曲線，及其他EMI濾波器相應(yīng)參數(shù)曲線具有很好的光滑性，更高的計(jì)算精度。能使設(shè)計(jì)出來的濾波器參數(shù)不僅符合現(xiàn)場實(shí)際的狀況，而且能把設(shè)計(jì)人員從繁重的計(jì)算工作中解脫出來，通過仿真就可以了解濾波器各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此在設(shè)備投入使用前就可以全面掌握，清晰明了。

1 干擾特性

在解決問題前，首先對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的總的干擾情況要有清晰的了解，需要知道共模干擾是多少？差模干擾是多少？標(biāo)準(zhǔn)要求抑制多少干擾電壓等？明確了這些干擾特性我們才能根據(jù)實(shí)際的需要提出要求，選擇材料并進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

2 EMI濾波器的原理及設(shè)計(jì)

電磁噪聲不可避免，但減少傳導(dǎo)干擾的方法通常有多種，如合理鋪設(shè)地線、采取星型鋪地、避免環(huán)形地線等，以盡可能減少公共阻抗；設(shè)計(jì)合理的緩沖電路；減少電路雜散電容等。但最主要還是利用EMI濾波器衰減各種傳導(dǎo)干擾，特別是電網(wǎng)與設(shè)備電源對(duì)彼此的噪聲干擾[2]。EMI濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)共模干擾與差模干擾不同的截止頻率，分別設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的元件參數(shù)。共模干擾和差模干擾形成的原因不一樣，同時(shí)兩者在電磁干擾中所占頻譜范圍也不一樣[3]：

1）0.1MHz以內(nèi)，主要以差模干擾為主。

2）0.1～1MHz內(nèi)，差模和共模干擾共存。

3）1～30MHz內(nèi)，主要以共模干擾為主。

可見共模干擾所占頻譜較寬，有助于解決電磁干擾濾波器采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。

2.1 EMI濾波器插入損耗

插入損耗是頻率的函數(shù)。通常把插入損耗隨頻率變化的曲線稱為濾波器的頻率特性。濾波器的插入損耗越大，濾波效果越好。EMI電源濾波器插入損耗的定義為，沒有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1，和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用dB（分貝）表示[4]。濾波器接入前、后的電路如圖1的EMI濾波器插入損耗框圖（a）、（b）所示。

圖1 EMI濾波器插入損耗框圖

由于：P1=V12/RL，P2=V22/RL

所以：

又有：

根據(jù)圖1（b）的網(wǎng)絡(luò)傳輸方程，同時(shí)有

最后可以推導(dǎo)出插入損耗的計(jì)算公式：

插入損耗是EMI濾波器的重要技術(shù)參數(shù)，在設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)予主要考慮。在EMI濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機(jī)械等條件都滿足要求時(shí)，應(yīng)盡量選擇插入損耗值大些[5]。插入損耗可分為共模插入損耗和差模插入損耗。

2.2 工作原理

1）共模電感

如圖2所示在同一磁環(huán)上繞上兩組方向相反的線圈，據(jù)右手螺旋管定則，當(dāng)在輸入端A，B兩端加上極性相反，信號(hào)幅值相同的差模電壓時(shí)，形成如實(shí)線所示電流I2，在磁心中產(chǎn)生實(shí)線所示的磁通Φ2，只要保證兩繞組完全對(duì)稱，則磁芯中兩個(gè)不同方向磁通相互抵消，線圈磁通就為零，線圈電感幾乎為零，對(duì)差模信號(hào)無阻抗作用[3]。若在輸入端A，B兩端加上極性相同，幅值相等的共模信號(hào)時(shí)，如虛線所示電流I1，在磁心中產(chǎn)生虛線所示磁通Φ1，則磁心中磁通有相同的方向而互相加強(qiáng)，使每一線圈的電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，而XL=ωL，因此，此一繞法的線圈對(duì)共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用[6]。

圖2 共模電感

2）最大濾波Y電容

如果接在電源EMI濾波器中相線與大地之間的濾波電容CY(nF)容量過大，會(huì)造成漏電流過大，可能危及人身安全[6]。漏電流可由下公式計(jì)算：

式中，Um(V)為電源相電壓，fm(Hz)為電源頻率，CY(nF)為Y濾波電容。

由于漏電流的大小對(duì)人生安全至關(guān)重要，不同國家對(duì)不同設(shè)備接地漏電流都做了嚴(yán)格的規(guī)定。由公式（6）可求出最大允許接地電容值（即CY電容的值），如式（7）所示。

對(duì)于三相濾波器來說，其漏電流是各相漏電流之和。而且在同一設(shè)備中使用的濾波器越多，產(chǎn)生的漏電流也越大。

下圖3由Matlab計(jì)算仿真的漏電流與Y電容的曲線。

圖3 漏電流Ig與Y電容

3）最大串聯(lián)電感值

設(shè)濾波器中串聯(lián)電感器的電感量為L，等效電阻為R，電網(wǎng)頻率為ωm，網(wǎng)側(cè)額定工作電流為Im，在電網(wǎng)頻率下，電感器上的壓降為

考慮到電網(wǎng)中可能產(chǎn)生的浪涌電流的影響，通常

圖4是由Matlab計(jì)算仿真的最大串聯(lián)電感曲線。

圖4 最大串聯(lián)電感

4）插入損耗計(jì)算

某公司濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 三相EMI濾波器拓?fù)?/p>

共模等效電路如圖6所示。

圖6 共模等效電路

假定A、B、C三相的共模信號(hào)大小相等，方向相同，不考慮差模電感、差模電容、差模電阻

Leqc1=3Lc1，Leqc2=3Lc2，Ceqy1=3Cy1，Ceqy2= 3Cy2，差模等效電路如圖7所示。

圖7 差模等效電路

假定A、B、C三相的共模信號(hào)大小相等，方向相同，不考慮差模電感、差模電容、差模電阻

Leqc1=3Lc1，Leqc2=3Lc2，Ceqy1=3Cy1，Ceqy2=3Cy2

兩個(gè)二端口級(jí)聯(lián)的形式如圖8所示。

圖8 兩個(gè)二端口級(jí)聯(lián)的形式

（1）未接入濾波時(shí)，負(fù)載端的電壓U1為

（2）接入濾波時(shí)，負(fù)載端的電壓U2為

由式（11）和（12）得出

圖9所示為由Matlab計(jì)算仿真的共模插入損耗的計(jì)算仿真曲線。

圖9 共模插入損耗曲線

5）差模干擾

如上圖5，假定A、B、C三相的共模信號(hào)大小相等，方向相反，不考慮共模漏電感，考慮源阻抗和負(fù)載阻抗的情況

（1）未接入濾波時(shí)，負(fù)載端的電壓U1為

（2）接入濾波時(shí)，負(fù)載端的電壓U2為

所以差模插入損耗為

圖10所示為由Matlab計(jì)算仿真的差模插入損耗的計(jì)算仿真曲線。

圖10 差模插入損耗曲線

通過上面的分析，圖11所示為由Matlab計(jì)算仿真的綜合計(jì)算仿真曲線。

圖11 綜合計(jì)算仿真曲線

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真所得的參數(shù)生產(chǎn)的濾波器，如下圖12為根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的實(shí)物，圖13為羅德與施瓦茨收機(jī)的測試，圖14和圖15分別為不加EMI濾波器和加了EMI濾波器后在變頻器輸入端的實(shí)測噪音效果圖。圖16為所對(duì)比的傳導(dǎo)干擾系統(tǒng)噪聲頻譜圖。

圖12 實(shí)物濾波器

圖13 羅德與施瓦茨接收機(jī)

圖14 不加EMI濾波器

圖15 加EMI濾波器

圖16 傳導(dǎo)干擾系統(tǒng)噪聲頻譜

4 結(jié)論

在現(xiàn)在的工程設(shè)計(jì)和制造中，電磁兼容問題越來越重要。傳統(tǒng)的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法涉及大量計(jì)算，用基于Matlab-GUI設(shè)計(jì)可彌補(bǔ)這一不足，同時(shí)文中介紹的方法設(shè)計(jì)出來的EMI 濾波器對(duì)噪聲有較為明顯的抑制作用，有助于減小設(shè)備輸入電源受到的傳導(dǎo)干擾。

[1] 馮成.EMI濾波器的精確設(shè)計(jì)[J].科技長廊,2007：119-121.

[2] 黃河清,電源EMI濾波器的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[3] 錢振宇.3C認(rèn)證中的電磁兼容性測試與對(duì)策[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 郭青龍,劉勇,趙陽.新型傳導(dǎo) EMI 濾波器的設(shè)計(jì)研究[J],南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2011,11(4)：12-15.

[5] 余明揚(yáng),陳廣程,陳特放.EMI濾波器的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2005,24(1)：9-11,28.

[6] 郭銀景,呂文紅,唐富華.電磁兼容原理及應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010.