EMI滤波器的PSpice辅助设计

摘要：提出了一种使用PSpice仿真软件设计EMI滤波器的方法。首先给出了EMI滤波器设计的一般步骤：然后结合具体实例设计出一款二阶EMI滤波器，并将加入滤波器前后的输入电流波形进行对比。结果表明：采用PSpice设计的滤波器使输入电流的纹波系数降低，符合设计要求；同时还具有抑制浪涌电流和防止系统振荡的能力。
 关键词：EMI滤波器；PSpice；纹波系数；振荡抑制；浪涌电流
 
0 引言
     开关电源会产生谐波含量丰富的开关噪声，从而对共用同一电源的其他设备产生干扰。这在汽车应用、长距离通信、工业测量等场合特别明显。为了消除这干扰，常需在输入电源和开关变换器间加入EMI滤波器。传统的EMI滤波器设计方法需要进行大量的计算，以确定合适的电抗元件参数，设计过程较繁琐。
     PSpice是业界公认的优秀仿真软件，它能对电路进行参数扫描和优化，通过多次反复计算，得出针对某变量的性能曲线，由性能曲线即可找到最佳参数值。因此，针对EMI滤波器设计需要大量、重复计算这一特点，使用Pspice辅助设计有助于优化电路参数，提高设计效率。
 
1 EMI滤波器的设计步骤
     适用于开关电源的EMI滤波器通常应满足以下几个要求：
     (1)反射纹波衰减特性：EMI滤波器提供的衰减必须能使输入电源的电流纹波系数达到要求水平；
     (2)阻抗特性：在变换器工作的频率范围内，变换器的输入阻抗必须远大于滤波器的输出阻抗，否则可能导致振荡；
     (3)上电特性：在阶跃输入的情况下易产生浪涌电流。由于应力及熔断器定额的原因，EMI滤波器应具有一定的吸收浪涌电流的能力。
 

    图1显示了应用于开关电源的EMI滤波器的设计流程。下面结合实例阐述使用PSpice设计的具体方法。假定有一Buck变换器(闭环)，输入电压Vin=100～120VDC，输出功率P=2．10 W，电源效率为93．75％，工作频率f=25 kHz。要求设计一个二阶EMI滤波器，使流过电源Vin的电流纹波小于20 mA。根据要求，采用PSpice辅助设计的二阶EMI滤波器的设计步骤如下：
    
(1)计算开关电源的最小输入阻抗

     在闭环系统中，不论电路工作在何种状态，反馈环路总是努力去保持电路的输出功率恒定。因此，从输入端看，开关变换器就像一个负电阻RN。当输入电压变化时，负电阻阻值发生变化。若在变换器前端加一EMI滤波器，由于负阻的影响，可能导致系统振荡。根据Middlebr ook的理论，若滤波器的输出阻抗Zfilter远小于RN，系统不发生振荡。
     采用PSpice中模拟行为模型GVALUE建立负阻模型，使用网络传递函数分析语句，TF计算最小RN值。相应的SPICE语句为：GN 10 Value={75／Vin}。可得上述开关电源的最小输入阻抗RN=-39 Ω。
    
(2)计算输入电流的基波幅值和所需衰减

     使用Pspice计算基波幅值有两种方法：
     ①通过．FOUR语句计算输入电流的基波分量；
     ②用电流探针测出电流波形，在Probe中直接进行快速傅里叶变换(FFT)，使用Toggle Cursor功能找出基波峰值点。
     上述两种方法的结果相同，得到的基波幅值I1m=3．15 A，有效值I1rms=2．23 A。
     若输入电流波形未知，可预估其形状，然后找出此类电流波形基波可能取得的最大值。具体做法为：在PSpice 中选用合适模型建立相应的激励源，通过参数扫描分析，PARAM求得最大基波幅值。
     当I1rms已知时，可求出所需的衰减系数为(用分贝表示)：A=45 dB。
    
(3)计算LC元件值

     一般的二阶EMI滤波器的结构如图2所示，其中R1，R2为电感电容的等效串联电阻，开关变换器等效为负电阻RN。EMI滤波器的转折频率f0与衰减系数的关系为：
    
     由上式可得所需EMI滤波器的转折频率应小于1．34kHz。为了获得较好的滤波效果，取L=200μH，C=280 μF。由器件参数表查得等效串联电阻值R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。
    
(4)滤波器的振荡特性

     检验滤波器是否振荡的方法有两种：
     ①直接进行瞬态分析，TRAN，查看RN两端电压波形是否产生振荡；
     ②计算滤波器的交流输出阻抗。操作方法为：将RN替换为一个幅值为1 A的交流电流源，设定交流扫描区间为1～300kHz，每十倍频取100个点。扫描过程中，PSpice将Vin视为短路。由于电流源的幅值为1 A，则电流源两端的电压值与滤波器输出阻抗在数值上相同。扫描所得的电压曲线可看做EMI滤波器的输出阻抗曲线。使用Toggle cursor功能找到最大阻抗值Zfilter。若Zfilter<<RN，系统不发生振荡。一般来说，当Zfilter与RN有6 dB的容限即可认为系统稳定。
     采用方法①进行瞬态分析，仿真时间为15 ms。结果显示，t>9 ms后，输出电压达到稳定状态，即系统无振荡。
     采用方法②得到的阻抗曲线显示，当开关变换器的工作频率为676．083 Hz时，滤波器取得最大输出阻抗，阻抗值4．53 Ω远小于RN最小值39 Ω，即系统不发生振荡。
     若选择的元件参数不合适导致系统振荡，解决的办法通常有两种：
     ①重新选择L，C值，再次检验，直到选择的参数使电路稳定。
     ②增大EMI滤波器的阻尼，抑制振荡。具体方法：在RN两端并联一个RC串联电路，一般取Cdamp=(3～5)C，Rdamp=Zfilter。
     上述2种方法都需要多次仿真以确定最佳参数。
     在Pspice中综合使用参数扫描和性能分析的方法，可很快找到最佳参数值。