运用PSpice仿真软件辅助设计EMI滤波器

导言：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，本文介绍利用Pspice软件辅助设计EMI滤波器。

开关电源以其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等方面的优点，广泛应用于工业、国防、家用电器等各个领域。然而开关电源产生的谐波开关噪声会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

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。

(5)滤波器的上电特性

在许多应用中，输入电压是以阶跃的形式加载的，比如开关的合闸、继电器的闭合等，在这类施加电压的过程中，阶跃电压往往会造成较大的浪涌电流。如不加以限制，此电流有可能损坏器件。EMI滤波器具有吸收浪涌电流的功能，通常可在滤波器前端施加一个从0 V跃变到最大输入电压的阶跃输入，并监测滤波器吸收的电流，以此来评估滤波器的上电特性。

如图2所示，在电路中加入时域开关SW_tclose来模拟阶跃输入。设置开关闭合时刻Tc=1 ms，则相应的阶跃输入为u(t)=Vin·δ(t-Tc)。设置仿真时间为20 ms，最大步长为1μs，测量流过电感的电流IL及流过开关变换器的电流IRN。结果表明，IL_max=9．77 A，IRN_max=16．7 A。根据手册查得所用电感的最大饱和电流IL_sat及开关器件的最大电流IIGBT。因为IL_max<IL_sat，IRN_max<IIGBT，故滤波器的上电特性符合要求。

若选择的元件值造成浪涌电流较大，说明滤波器的阻尼较小，可通过增大滤波器阻尼解决这一问题。具体做法可参照步骤(4)。

2 、实验结果

滤波器参数为L=200μH，C=280μF，R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。测得加入滤波器前后流过Vin的电流纹波波形如图3所示。

由图3可知，加入滤波器后Iin的纹波显著减小。测得未加入滤波器时Iin基波电流有效值为2．23 A，加入后的有效值为19．1 5 mA。由结果可知，设计的EMI滤波器符合衰减要求。

本文小结

PSpice可弥补传统的EMI滤波器设计方法涉及大量计算这一不足。采用PSpice辅助设计可以减轻设计工作量，通过合理的优化使电路参数更精确、可靠；使用PSpice仿真还能对EMI滤波器的性能进行多方面的预测，在设计前期发现可能存在的问题并及时解决；另外，上述方法同样适用于高阶EMI滤波器的设计。