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EMI滤波器的Pspice辅助设计% D6 t8 D+ I! {
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。
( {2 z5 C4 c& \/ R. g; d! y+ DPSpice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。
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1 EMI滤波器的设计步骤' j0 L5 o) \# @. @; T" V& W8 O
适用于开关电源的EMI滤波器通常应满足以下几个要求:
- {) P+ u5 X4 ], }7 k$ ~+ M5 s(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; i# ]) I! |& ]. Z
(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;( y' L4 K# ` c& G* y' t k8 D1 k: q
(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。
g& {- T. V6 f5 M; }- i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:( ~4 F. }; M. G8 Z
(1)计算开关电源的最小输入阻抗3 [3 A9 b) K& p
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。- x' Q8 H, \' l& k6 K* t
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。' @% B8 D; Z }2 ]" v5 T: w( |0 [
(2)计算输入电流的基波幅值和所需衰减
7 d2 G* t3 C) H/ e7 W使用Pspice计算基波幅值有两种方法:; @" W7 z9 A2 P3 A7 h% D: `
①通过.FOUR语句计算输入电流的基波分量;' y; l; @- V: P4 E+ S
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。
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