空調(diào)EMI電源濾波電路設(shè)計與仿真

呂繼方 肖彪 王會 萬今明 于洪濤

摘要：為提高空調(diào)產(chǎn)品的電磁兼容特性，針對典型空調(diào)EMI電源濾波電路，提出基于ANSYS仿真軟件的EMI濾波PCB設(shè)計與仿真方法。分別對濾波電路中的X電容、Y電容、共模電感、差模電感等進行單獨建模，搭建完整濾波電路，通過Designer對其進行S參數(shù)仿真，利用Q3D準(zhǔn)確提取PCB的寄生參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試相應(yīng)的濾波PCB，驗證該仿真方法的正確性與有效性。

關(guān)鍵詞：電磁兼容； 插入損耗； 共模扼流圈； 等效電路

中圖分類號：TM925.12； O441.5

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-0871（2018）01-0061-05

Abstract： In order to improve the electromagnetic compatibility of air conditioner， a design and simulation method for EMI filter PCB is proposed based on ANSYS. The models of X capacitor， Y capacitor， common mode inductor， and differential mode inductor in filter circuit are built individually， and the complete filter circuit is built. The parameter S of the filter circuit is simulated using Designer. The parasitic parameters of PCB are extracted exactly by Q3D. The test is done on the filter PCB using network analyzer， and the correctness and effectiveness are proved.

Key words： electromagnetic compatibility； insertion loss； common mode choke； equivalent circuit

0 引 言

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容設(shè)計成為空調(diào)開發(fā)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。目前，空調(diào)中的開關(guān)電源、驅(qū)動模塊等作為強干擾源，若無EMI濾波器則無法滿足相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

EMI電源濾波器[1-3]的作用是使有用的頻率信號如工頻或直流信號通過，使無用的干擾頻率信號衰減。能夠無衰減地通過濾波器的信號頻率段稱為濾波器的通帶，通過時受到很大衰減的頻率段稱為濾波器的阻帶。

由于各種頻率信號通過濾波器時的衰減不同，所以插入損耗是濾波器最重要的特性參數(shù)，插入損耗隨著信號頻率的變化而變化，定義為

式中：U1為信號源不接濾波器直接加在負(fù)載上的電壓；U2為信號源通過濾波器后加在負(fù)載上的電壓。

EMI電源濾波器的主要作用是對電源線上的干擾信號進行抑制。通常，按照干擾信號傳導(dǎo)路徑不同，可將干擾分為共模干擾和差模干擾，其中：共模干擾存在于電源線與大地或者中線與大地之間；差模干擾存在于電源相線與中線之間。對于三相電路來說，差模干擾還存在于相線與相線之間。共模干擾和差模干擾示意見圖1。

1 濾波器建模

EMI電源濾波器一般由電容、電感等無源器件組成[4]，典型EMI濾波電路結(jié)構(gòu)見圖2，其中：L1和L2為差模電感；C1，C2，C5和C6為Y電容；C3和C4為X電容；L3為共模扼流圈。以此濾波電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行仿真與測試。

1.1 X電容和Y電容

由于電容中絕緣體的漏電阻、引線上的電感和電容等的存在，實際電容器并不是純粹的電容[5-7]，其等效電路見圖3a），其中：Llead和Clead分別為引線上的電感和電容；Rplate為電容平行板的電阻；Rdiel為電介質(zhì)中的損耗。由于Rdiel非常大，Clead通常比電容標(biāo)稱值C小得多，故等效電路可簡化成圖3b），其電容的阻抗為

直流時圖3所示的電路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為開路，隨著頻率的增長，電容的阻抗逐漸占支配地位，并以-20 dB/10倍頻的速率隨頻率減小，電感的阻抗值增加；直到頻率f0=1/2πLC時其值與電容的阻抗相等，此頻率下電路表現(xiàn)為一個凈電阻；隨著頻率進一步增加，電感阻抗占支配地位，此時整個電容表現(xiàn)為電感的特性。

使用安捷倫阻抗分析儀4395A對X電容（2.2 μF）進行測試，結(jié)果見圖4。根據(jù)圖4結(jié)果和式（2）可計算出該電容的參數(shù)。在ANSYS Designer中建立該電容的等效模型并仿真驗證，得到該電容阻抗仿真結(jié)果，見圖5。對比2個結(jié)果可知，阻抗隨頻率變化基本一致，可見該方法建立的X電容等效電路與該電容實際特性相符。

Y電容的建立方法與X電容的建立方法一致。Y電容（4.7 nF）阻抗測試結(jié)果和仿真結(jié)果分別見圖6和7，諧振頻率分別約為18.3和18.8 MHz，兩者吻合良好。

在使用X電容或Y電容時，抑制電流的頻率須在電容的自諧振頻率附近，否則該電容的實際阻抗將比理想特性阻抗大。

1.2 差模電感

常用的EMI電源濾波器中的差模電感都是由線圈繞制而成的，磁芯為鐵氧體軟磁磁芯?？紤]到電感自身的損耗電阻、分布電容等參數(shù)，實際電感的等效電路見圖8，其阻抗為

在直流時，ZL=R；隨著頻率增加，電感占主要支配地位，當(dāng)達到電感自諧振頻率f0=1/2πLCp時，寄生電容阻抗絕對值等于電感阻抗絕對值，此時ZL達到最大值；隨著頻率的進一步增加，整個電感的阻抗呈現(xiàn)電容阻抗特性。

結(jié)合式（3），在Designer建立等效電路并仿真，結(jié)果見圖9。該差模電感在0.89 MHz時發(fā)生諧振。

1.3 共模扼流圈

共模扼流圈對EMI傳導(dǎo)噪聲抑制具有非常重要的作用，但由于其自身磁性材料的頻率特性、繞組漏感、寄生電容等因素的影響，很難準(zhǔn)確地對其進行等效電路建模。[8-11]采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試現(xiàn)有共模扼流圈，得到其等效二端口S參數(shù)，并將其代入到整體電路中進行仿真。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測試可以更實際地反映共模扼流圈頻譜特性。

由于共模扼流圈抑制共模干擾和差模干擾的原理不同，因此測試時分別對其進行差模測試和共模測試。采用R&S;型號為ZNB 8的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試，由于空調(diào)的傳導(dǎo)測試頻段為150 kHz～30 MHz，所以主要考慮該EMI電源濾波電路對傳導(dǎo)干擾的抑制作用，對共模扼流圈的測試頻段設(shè)置為9 kHz～30 MHz。共模扼流圈（10 mH/10 A）的差模和共模測試結(jié)果見圖10。

1.4 PCB走線

隨著頻率的增加，PCB中的走線變得不再理想，其上的電感、電阻及線間的電容等對PCB板特性影響增大。為更加準(zhǔn)確地反映PCB板布局、布線等因素對濾波板特性的影響[12-13]，采用Q3D對濾波PCB板進行寄生參數(shù)提取，得到相應(yīng)的C，A和L等參數(shù)，并將其代入到Designer中與各濾波器件互聯(lián)，仿真整體濾波電路。仿真頻段為9 kHz～30 MHz時Q3D對濾波板提取C和G值示意見圖11。

2 濾波電路仿真和測試驗證

濾波器的特性與其源端和負(fù)載端的阻抗直接相關(guān)。為更好地將仿真與測試進行對比，源端和負(fù)載端的阻抗均采用50 Ω進行仿真和測試。

由于傳導(dǎo)干擾中共模干擾和差模干擾路徑不同，故仿真時分別搭建共模等效電路和差模等效電路。將各濾波器件等效電路添加到Designer中搭建相應(yīng)的仿真電路，分別進行差模S參數(shù)仿真和共模S參數(shù)仿真。其中，差模等效電路的仿真模型見圖12。

同時，利用ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該濾波板進行測試，得到其S21參數(shù)，將其與仿真結(jié)果進行對比，見圖13。

由圖13可以看出，仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好，該仿真能夠較好地反映該濾波電路的通帶、阻帶等頻率特性。

3 濾波電路在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用

為驗證上述濾波板的實際濾波效果，將其連接到某實際產(chǎn)品上進行測試，測試頻段為150 KHz～30 MHz。該產(chǎn)品未加濾波板時的測試結(jié)果見圖14。由此可以看出，在低頻段時產(chǎn)品噪聲較大，超過標(biāo)準(zhǔn)限值。濾波板加到該產(chǎn)品后的測試結(jié)果見圖15。測試頻段內(nèi)的干擾噪聲大部分被抑制，該濾波器起到較好的濾波效果，尤其在低頻段（150 KHz～10 MHz）時濾波效果更好，這與前文濾波器的測試和仿真結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語

通過對單個濾波器件按不同的等效電路分別建模，搭建整個濾波電路，并考慮PCB板的寄生參數(shù)對濾波板特性的影響。該方法能夠較好地得到濾波電路的插入損耗特性，對空調(diào)中電源濾波板的設(shè)計和整改有直接的指導(dǎo)作用。

參考文獻：

[1] 周立夫， 林明耀. EMI電源濾波器的設(shè)計和仿真分析[J]. 低壓電器， 2004（4）： 7-9. DOI： 10.3969/j.issn.1001-5531.2004.04.002.

[2] 孟晶， 楊勇， 熊立. 開關(guān)電源EMI濾波器設(shè)計與驗證[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2014（12）： 137-139. DOI： 10.3969/j.issn.1004-373X.2014.12.040.

[3] 盧增藝， 周賀， 章進法. 一種典型EMI濾波器的分析和優(yōu)化[J]. 磁性元件與電源， 2015（4）： 119-123.

[4] WANG S， LEE F C， ODENDAAL W G. Improving performance of boost PFC EMI filters[C]//Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition. Miami： IEEE， 2003： 368-374. DOI： 10.1109/APEC.2003.1179240.

[5] 王珂. EMC元件高頻特性的研究[J]. 機電元件， 2012， 32（2）： 45-48.

[6] LIU D H， JIANG J G. High frequency characteristic analysis of EMI filter in switch mode power supply（SMPS）[C]//Proceedings of Power Electronics Specialists Conference. Cairns： IEEE， 2002： 2039-2043. DOI： 10.1109/PSEC.2002.1023114.

[7] WANG S， LEE F C， CHEN D Y， et al. Effects of parasitic parameters on EMI filter performance[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2004， 19（3）： 869-877. DOI： 10.1109/TPEL.2004.826527.

[8] CHEN H L， QIAN Z M， YANG S D， et al. Finite-element modeling of saturation effect excited by differential-mode current in a common-mode choke[DB/OL]. （2009-02-20）[2017-10-11]. http：//ieeexplore.ieee.org/document/4757497/.

[9] 陳恒林， 陳瑋， 馮利民， 等. 基于阻抗測量的共模扼流圈高頻建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2007， 22（4）： 8-12. DOI： 10.3321/j.issn：1000-6753.2007.04.002.

[10] LIU D H， JIANG X G. High frequency model of common mode inductor for EMI analysis based on measurements[C]//Proceedings of 2002 3rd International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Beijing： IEEE， 2002： 462-465. DOI： 10.1109/ELMAGC.2002.1177470.

[11] 陳慶彬， 陳為. EMI濾波器的近場耦合特性分析與應(yīng)用[J]. 磁性元件與電源， 2015（6）： 109-114.

[12] 陳恒林， 錢照明， ZENG Z H， 等. 布局對EMI濾波器性能影響的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2008， 23（8）： 7-12. DOI： 10.3321/j.issn：1000-6753.2008.08.002.

（編輯 武曉英）