摘 要

随着电子设备、家用电器与开关电源等电子器件的大量涌现和普及，电网噪声干扰逐渐成为一种公害，特别是电源端所产生的电磁传导干扰。人们在设计EMI滤波器时通常会采用反复试验的方法，但也不能缺乏理论的指导。不合理的设计会导致电子设备的体积和重量增加，伴随金属的价格上涨，成本压力也随之增加。因此，研究EMI滤波器的相关优化方案，具有越来越重要的意义。

本文针对开关电源输入端在电网中产生的电磁传导干扰，简述现有的传导干扰诊断方法，再结合典型EMI滤波器的相关滤波特点，分别建立滤波器共模和差模通路等效模型，基于典型EMI滤波器的理论基础进行了相关设计，如结合二端口网络、阻抗匹配理论、插入损耗、系统等效电路等。通过设计，进一步阐述了典型EMI滤波器元件类型，相关参数的选取依据，拓扑电路的参数矩阵的选取，利用Matlab仿真验证理论分析的正确性。

关键词：EMI；Matlab仿真；插入损耗

Abstract

With the emergence and proliferation of electronic devices, household appliances, and switching power supplies, the noise interference of power grids has gradually become a public hazard, especially electromagnetic interference generated at the power supply end. People often use trial and error methods when designing EMI filters, but they also cannot lack theoretical guidance. An unreasonable design can lead to an increase in the size and weight of electronic equipment. As the price of metal increases, the cost pressure increases. Therefore, it is more and more important to study the relevant optimization schemes of EMI filters.

In this paper, the electromagnetic interference generated in the grid of the input end of the frequency converter system is briefly described, and the existing methods for the diagnosis of conducted interference are briefly described. In combination with the relevant filtering characteristics of typical EMI filters, the equivalent model of the common-mode and differential-mode paths of the filter is established, respectively. The theoretical basis of the design of a typical EMI filter is analyzed in detail, such as combining two-port network, impedance matching theory, insertion loss, and system equivalent circuit. From the perspective of design practice, the types of typical EMI filter elements, the selection basis of relevant parameters, and the selection of the parameter matrix of the topology circuit are further elaborated. The correctness of the theoretical analysis is verified by Matlab simulation and experimental measurements.

Keywords: EMI; Matlab simulation;Insertion loss

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1EMI滤波器的研究背景 1

1.2发展现状 1

1.3本文的主要工作 2

第2章 典型EMI滤波器分析 4

2.1开关电源EMI滤波器 4

2.2典型EMI滤波器设计原理 5

2.2.1 EMI滤波器的等效电路 5

2.2.2 二端口网络等效矩阵 9

2.2.3 EMI滤波器的插入损耗 11

2.3 EMI滤波器的元件选择 13

2.3.1差模电容器的选择 13

2.3.2共模电容及其漏电流控制 13

第3章 源阻抗对EMI滤波器的影响 15

3.1 基于开关电源中的反激电路分析 15

3.2 基于阻抗源的共模差模干扰 16

3.3开关电源EMI滤波器信号类型及特点 17

第4章 EMI滤波器的仿真及优化 18

4.1 典型EMI滤波器 18

4.1.1滤波器电路的选择 18

4.2 Matlab软件背景 19

4.3各种典型电路仿真设计及分析 20

4.3.1 π型滤波器的设计 20

4.3.2 LC型滤波器的设计 21

4.3.3 CL型滤波器的设计 22

4.3.4 T型滤波器的设计 23

4.4仿真结果分析 25

第5章 总结与展望 26

5.1总结 26

5.2展望 26

参考文献 28

附录 30

致谢 34

第1章 绪论

1.1EMI滤波器的研究背景

随着时代的发展，人们的日常生活已经离不开电子设备。然而大部分电子设备基本都依赖于开关电源(SMPS),予以电力供应。开关电源以其体积小，损耗低、效率高等特点，在近年来飞速发展，使得其在通信工程、信息工程以及医疗设备等各式领域中广泛应用，取得了巨大成就。其他方面，在有限的资源条件下，由于电子设备密集程度不断增加，使得空间电磁环境变得更加复杂化。为了满足电磁兼容性能标准对相关电子器件的要求，电磁兼容愈来愈受到人们的重视。

“二十世纪五十年代初，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源，在近半个世纪的发展过程中，SMPS因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术设计制造的连续工作的线性电源，广泛应用于电子、电气设备及家电领域。”由于目前世界供电选择交流电网供电，SMPS在与电网和负载接触的过程中，会产生断断续续的输入电流，这不仅极大降低电源的输入功率，还产生了大量高次谐波。SMPS由于采用功率半导体器件作为开关管，在高频电网中会产生较高的尖峰干扰电压、电流以及谐波分量，造成严重的传导性电磁干扰，不仅影响了电网中其他电子器件的正常工作，也使得SMPS无法在部分精密的电子仪器中使用。”美国是世界上最先感受到电磁污染引起潜在问题的国家之一，为了减小、抑制和消除电磁干扰，美国联邦通讯委员会(FCC)在上世纪八十年代初就制定了强制实施的控制电磁干扰的极限以及相应的标准(MIL．STD．461B等)。” 传导干扰可分为共模干扰和差模干扰，共模干扰指两条电源线对地的干扰噪声，特点为大小方向相同，主要由电源线对地的杂散电容引起；差模干扰指两条电源线之间产生的干扰噪声，特点为大小相同，方向相反“根据IBM公司的长期观察统计表明：严重威胁电气、电子设备安全可靠工作的起因中，88．5％是来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲。同时，由于电源线EMI信号具有幅度大、 频谱宽等特点，而且其中夹杂大量的瞬态大电压和浪涌电流，这些因素使电源线 传导干扰的抑制较难控制。”

本文以SMPS及其EMI滤波器为研究对象，主要分析了SMPS电路中产生的传导性电磁干扰的基本因素及有效的抑制措施，同时针对EMI滤波器源、负载阻抗特性对插入损耗的影响，结合二端口网络、阻抗匹配理论、插入损耗、系统等效电路，对典型EMI滤波器进行优化。

1.2发展现状

我国的第一个干扰标准是1966年由原第一机械工业部制定的部级标准JB-854-66 《船用电气设备工业无线干扰端子电压测量方法与允许值》^[1]。二十世纪八十年代初，我国的电磁兼容理论逐渐发展起来，并建立了相关学术组织，随着近几年电磁兼容技术的重视和发展，我国的抗电磁干扰技术也有了很大的进步。

EMI滤波器与一般滤波器不同，它所关心的使用环境及输入电流中成分与其它滤波器不同，近几十年来，滤波器的发展越来越快。1988年Clayton R．Paul采用一种特殊装置将电源线中的传导电磁干扰即共模、差模干扰信号分离出来，通过实际测量的干扰信号的频谱来确定EMI滤波器的元器件参刻^[2]。1998年，Byron Garry等人通过测量和仿真分析一种EMI电源滤波器源阻抗和负载阻抗特性对滤波器的插入损耗的影响^[3]，2004年，Shuo Wang提出使用S参数对EMI滤波器特性进行描述^[4]。同年，他又提出了通过S参数提取EMI滤波器中的寄生参数^[5]。之后Shuo Wang发现了几种消除自耦合和互耦合的方法可以提高滤波器的高频特性^[6]。另外，他还用等效电路的方法消除EMI滤波器中电容的等效串联电感(ESL)和电感的等效并联电容(EPC)，其在EMI滤波器性能中起着重要的作用^[7-8]，但这只是元器件理想情况下的一种理论仿真，真正要做到消除ESL和EPC，需要在元器件制作工艺和材料上进行改进。Shuo Wang经过试验，发现元器件之间的互耦合在差模EMI滤波器中起主导作用，但是消除互耦合的措施之间会有冲突，于是，他总结了一些比较通用的不会发生相互影响的EMI滤波器优化措施^[9]。由于无源 EMI滤波器在低频段噪声抑制能力较差，同时易受元件高频寄生参数的制约，因而有人提出了有源EMI滤波器。1988年，L．Lawhite和M．F．Schlecht描述了有源 EMI滤波器的基本结构^[10]。1994年Thomas Farkas和Martin F．Schlecht验证了有源 EMI滤波器结构应用的可行性^[11]。2006年Wenjie Chen提出有源EMI滤波器和无源EMI滤波器相结合，极大的降低了滤波器传导性电磁干扰，提高了滤波器的整体性能^[12]，同年，Yo—Chan Son等人分析了各种AEF的插损和源和负载阻抗特性的关系，以及如何根据不同的应用选择滤波器^[13]。2007年，Wenjie Chen介绍了混合 EMI滤波器的几种拓扑结构下滤波器的插入损耗问题^[14]。2008年，Wenjie Chen等人经过试验发现使用电流补偿的AEF适合用于消除高阻的共模干扰，电压补偿的AEF适合于消除低阻的差模干扰^[15]。

1.3本文的主要工作

研究典型EMI电源滤波器，本文主要做了以下几方面的工作：

1．概述电磁兼容的定义及其有关的设计任务，介绍了目前国内外电磁兼容设计的研究情况。陈述国内外EMI电源滤波器的发展历史和现状以及主要研究方法。

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