采用电路仿真优化EMI滤波器.docVIP

采用电路仿真优化EMI滤波器 ????? 仿真在解决电磁干扰问题的所有应用中都能节约时间，经费和精力。????? CHRIS DEBRAAL????? Curtis Industries????? Milwaukee, WI, USA????? 电力线电磁干扰滤波器的插入损耗在很宽的频率范围内，可以通过电路仿真作出精确推算。分析电路时，重要的是要考虑测试模式和阻抗，基本元件的值，代表每个元件寄生成分的多样性，以及结构和布局。????? 决定等效串联电感和电容阻抗的公式，以及绕组间电容和磁芯损耗，可以帮助我们创建滤波器组件的模型。其它与导线长度、接近效应和串扰等有关的元件，能帮助我们定义系统寄生现象。因此，这些“模型的”元件就可以组成一个用作构成电路仿真的独立而完整的原理图。????? 对基本和寄生成分参数值的处理将使性能得到提高，并能推动设计的优化。仿真和实际测试数据的对比，可以证明结果能达到的精确程度。????? 采用完整的电路描述，就能正确地刻划和有效地优化电磁干扰滤波器的性能。滤波器电路的仿真可以设立来“模仿”实际的测试结果，并节省研究和电路原型制作的经费。????? 电磁干扰EMI????? 电磁干扰是一种不需要的电磁发射，能引起不同程度的噪声响应，故障或者电子设备性能的下降。这种噪声通常发生在10kHz到30MHz的频率范围内。为了降低这种噪声，通常使用电磁干扰滤波器。电磁干扰滤波器是一种无源电子设备，用来抑止在输电线路或信号线路中的传导干扰。这种滤波器可以用来抑止设备本身产生的噪声，以及其它装置产生的噪声，并可在设备的电子环境中改善其功能性。电磁干扰滤波器可以包含同时抑制共模（线接地）和差模（线到线）干扰的元件。????? 元件的选择????? 电磁干扰滤波器的正确设计包括选择滤除所有EMI噪声所需要的合适元件，包括电感和电容。对这些元件的评定包括多种细节，必须编写好仿真模型以确保正确的滤波效果，如电感器线圈内的匝间电容值，有效串联电阻值(ESR)，以及电容自身的有效串联电感值（ESL或引线电感）。????? 原理图????? 电磁干扰滤波器由改进了线对地性能的共模线圈组成，但仍然可以利用线圈的漏电感来加强差模（线到线）性能。接地电容和电感器连接，用来增进共模性能，线到线的电容器则用来得到差分方式的性能。（线到线的电阻对性能无任何帮助，它唯一的功能是为安全因素考虑而作为一个旁路电阻，在滤波器断开时通过它对L/L电容器放电。）????? 滤波器电路仿真????? 在理解电磁干扰滤波器的构成之后，设计者就要准备进行下一步工作：通过对滤波器电路进行仿真，来确定滤波器将达到良好的性能时所希望覆盖的频率范围。许多软件程序可以用来进行电路仿真。本例中，作者用一个PSpice和SPICE兼容的模拟与数字仿真器来实现电子设计自动化。通常这些软件的制造者会提供方便从互联网上下载的评估版本。这些程序都有很友好的用户界面，允许采用AC分析工具以便电路仿真，同时设置要求的频率和节点用于分析。由于本例的滤波器原理图示于图1。????? 50/50电路????? 在每一个原理图中， 仿真都会用到一个50/50-Ohm电路（在滤波器的线路端和负载端均使用50-Ohm阻抗）。这些值被用来作为一个标准插入损耗测试方法，因此，有必要在电路图中将这些值表示出来以模拟真实的插入损耗测试。????? 电感的仿真????? 首先要考虑的元件是电感。大多数电感是在一个环形磁芯上卷绕不同规格的导线而形成的。在滤波器应用中最常用的磁芯材料是铁氧体和铁粉。由于磁芯的材料和线圈匝数，电感器往往有一个频率“跌落”的特性——f0，即在这个频率下电感开始失去工作能力。这个跌落值几乎总是由磁芯材料的规格来决定。可以简单地从磁芯材料规格中查到f0的值，再代入电路原理图显示的公式中。这个步骤可以让电感模型更加真实。例如，一般5k渗透率的磁芯材料的f0值约为300kHz。将这个值平方然后代入电感模型公式中，如图3所示得到“1E11”。????? 在使用共模电感时，滤波器在共模方式和差模方式下的性能标准是不同的，所以对两种电路分别进行仿真就显得很重要。电感同时具有一个标准电感值（在共模方式下最有效）和一个漏电感值（在差模方式下最有效）。因此，共模电路将具有一个表示标准电感值的电感模型，而差模电路需要表现出包含漏电感值的电感模型。如果不经过测量，可以假定渗漏电感值为1％到2％的共模电感值。这两种模式下都有一个跌落频率公式，以使仿真效果尽可能地接近实际的滤波器。此外，差模方式的跌落频率约比共模方式的高出30倍。运用这些给定的公式，设计者可以“模拟”出真实电感线圈的实际性能，得出更精确的滤波器仿真结果。 ????? 图1. EMI滤波器原理图 ??