含解耦电路的数字有源EMI滤波系统及解耦电路的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了含解耦电路的数字有源EMI滤波系统及解耦电路的设计方法，解耦电路由单匝电感组成，其设计方法为首先选取解耦电路单匝电感的磁芯材料，在选取单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方，然后确定解耦电路单匝电感的阻抗ZF的取值范围，最后根据确定的解耦电路单匝电感的阻抗值求得单匝电感的尺寸。本发明专利技术解决了现有技术中存在的EMI滤波系统滤波性能差、体积与功耗大及设计其解耦电路具有盲目性的技术问题，本发明专利技术的数字有源EMI滤波系统的补偿能力与现有技术相比可以提高5dB以上，并为解耦电路的设计提供了一种行之有效的方法。

【技术实现步骤摘要】
含解耦电路的数字有源EMI滤波系统及解耦电路的设计方法
本专利技术属于开关电源电磁兼容
，具体涉及一种含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，还涉及上述解耦电路的设计方法。
技术介绍
开关电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点受到人们的青睐。高频化使开关电源向小型化、轻便化发展，因此，开关电源高频化是其发展的方向。但是高频的开关会产生较大的高频传导电磁干扰(EMI)，不仅会对电网产生EMI污染，也会使与其相连的其他设备功能降级。为了保证电子设备的正常工作，净化电网环境，需加EMI滤波器对传导电磁干扰进行抑制。我国EMC标准GB/T21419-2013对其提出了要求，制定了该干扰的发射限值。模拟无源EMI滤波器是抑制功率转换器传导EMI的主要措施，但其具有体积大，电感和电容的高频寄生现象明显，滤波灵活性较差，损耗随功率等级的增加而增大，对不同功率等级的变换器通用性差等缺点。数字有源EMI滤波器克服了模拟无源EMI滤波器灵活性差的缺点，因不在主电路中增加器件，所以大幅减小了EMI滤波器的体积和功耗，且其设计不受功率与电流等级限制。数字有源EMI滤波器在EMI信号检测点与注入点之间存在解耦问题，使得部分EMI注入信号由于阻抗原因，不能与需要抑制的EMI信号形成抵消，致使其滤波能力降级。有一些数字有源EMI滤波器选用传统绕线电感器件作为解耦电路，其滤波性能虽有所提高，但增加传统绕线电感器件改变了线路原拓扑及线路结构，使得数字有源EMI滤波器在体积和功耗方面的优势大大降低。也有一些解耦电路虽然提高了滤波性能，但其设计没有理论、系统的方法作为指导，盲目性较大。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，解决了现有技术中存在的数字有源EMI滤波器滤波性能差、体积与功耗大及设计其解耦电路具有盲目性的技术问题。本专利技术的另一目的是提供上述解耦电路的设计方法。本专利技术所采用的第一技术方案是：含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其包括通过火线L、零线N、地线PE依次连接的开关电源、线性阻抗稳定网络、市网电源；线性阻抗稳定网络和开关电源之间的火线L上连接有EMI检测电路和EMI注入电路，EMI检测电路在火线L上的连接点为检测点M，EMI注入电路在火线L上的连接点为注入点N，解耦电路连接在火线L上的检测点M与注入点N之间，由单匝电感组成，单匝电感套在火线L上；EMI检测电路和EMI注入电路分别连接有EMI滤波控制器；其中，EMI检测电路、EMI注入电路、解耦电路和EMI滤波控制器组成了数字有源EMI滤波器。本专利技术所采用的第一技术方案的特点还在于，EMI检测电路是由电阻Rs和电容Cs构成的RC高通滤波器，电容Cs一端连接到线性阻抗稳定网络与解耦电路之间火线L上的检测点M，电容Cs另外一端与电阻Rs的一端串联连接，并连接至EMI滤波控制器上，电阻Rs的另一端接地。EMI注入电路是由电阻Rinj1、Rinj2和电容Cinj1、Cinj2构成的RC带通滤波器，电容Cinj2的一端连接到开关电源与解耦电路之间火线L上的注入点N，电容Cinj2的另外一端与电阻Rinj1串联，并且Rinj1的另一端与EMI滤波控制器相连，电阻Rinj2与电容Cinj1组成的并联电路一端接在电容Cinj2和电阻Rinj1之间的连接导线上，另一端接地。开关电源选用型号为g4-1359TX的HP笔记本的充电电源，为噪声干扰源。EMI滤波控制器选取型号为EP2C35F672C8的FPGA数字信号处理器。线性阻抗稳定网络选用R&SENV216。本专利技术采用的第二技术方案是，上述含解耦电路的数字有源EMI滤波系统中的解耦电路的设计方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：选取镍锌铁氧体作为解耦电路单匝电感的磁芯材料；步骤2：根据电磁干扰信号频率范围的上限频率为30MHz，选取解耦电路单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方为：Fe2O3∶NiO2∶ZnO＝50.2∶24.9∶24.9，相对磁导率μr为150；步骤3：确定解耦电路单匝电感的阻抗范围为：其中，ZF为解耦电路单匝电感的阻抗，ZC为开关电源的等效内阻抗，ZS为从检测点M向市网电源端看的电源等效阻抗，ZT为从检测点M向数字有源EMI滤波器方向看的等效阻抗；Zin为从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗；步骤4：根据步骤3中解耦电路单匝电感的阻抗范围确定单匝电感的阻抗ZF的取值；步骤5：根据解耦电路单匝电感的阻抗值ZF计算得到单匝电感的尺寸规格：电感内径、电感外经及电感长度，实现了对解耦电路的设计。本专利技术所采用的第二技术方案的特点还在于，步骤3得出单匝电感的阻抗范围的具体方法为：根据ZF在150kHz-30MHz频段内应对从开关电源即噪声源流出的EMI信号呈现高阻抗，ZF设计为远远大于从注入点N向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗Zin和开关电源等效内阻抗ZC的并联阻抗，即在150kHz-30MHz频段内满足式(1)；根据从检测点M向电源看的电源等效阻抗ZS需对流入线性阻抗稳定网络的EMI信号呈现高阻抗，ZS设计为在150kHz-30MHz频段内远远大于从检测点M向数字有源EMI滤波器看的等效阻抗ZT和解耦电路阻抗ZF的并联阻抗，即满足式(2)；由式(1)和(2)可得解耦电路单匝电感阻抗ZF范围表达式为步骤4中确定单匝电感阻抗的具体方法为：4.1，确定ZS、ZC、ZT、Zin的取值，具体方法为：线性阻抗稳定网络的阻抗在150kHz-30MHz全频段稳定在50Ω，所以ZS在150kHz-30MHz频率段取50Ω，ZC由双电流探头测试法得到，其随频率的变化而变化，为了获取单匝电感特定的尺寸及抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号，取其在不同频率下对应的最大值；在高频交流电路中，电容可视作短路，所以ZT等效为RS，Zin等效为Rinj2，因此，在150kHz-30MHz频率内取ZT＝RS，Zin＝Rinj2；4.2，将确定的ZS、ZC、ZT、Zin的取值代入得到ZF的取值范围，并在ZF的取值范围内随机选取一个值作为ZF的取值。步骤5中计算解耦电感尺寸规格的计算公式为：其中，L为电感值，B为电感的长度，Ac为电感的截面积，为电感的外径，为电感的内径，μ为磁芯磁导率，μ＝μr×μ0＝150×4π×10-7＝1.885×10-4，μ0为真空磁导率，取4π×10-7H/m，为了抑制150kHz-30MHz全频段的EMI信号，f选取最高频率30MHz。本专利技术的有益效果是，本专利技术在不改变原电路的形式及结构的前提下，采用单匝电感作为解耦电路，负载阻抗和数字有源EMI滤波器之间满足阻抗匹配原则，降低了EMI信号检测点与注入点在电气连接上的耦合性，阻止EMI信号直接传入低阻抗的电源侧，使得EMI信号注入能力增强，提高了数字有源滤波器的滤波性能，降低了数字有源EMI滤波器的体积及功耗，并克服了解耦电路设计的盲目性问题。另外，本专利技术中的数字有源EMI滤波器的补偿能力与现有技术相比可以提高5dB以上。附图说明图1是本专利技术的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统的结构示意图；图2是本专利技术的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统的阻抗匹配等效条件图；图3是HP笔记本(型号为g4-1359TX)的电源共模阻抗测试曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其特征在于，其包括通过火线L、零线N、地线PE依次连接的开关电源(6)、线性阻抗稳定网络(4)、市网电源(3)；线性阻抗稳定网络(4)和开关电源(6)之间的火线L上连接有EMI检测电路(2)和EMI注入电路(7)，EMI检测电路(2)在火线L上的连接点为检测点M，EMI注入电路(7)在火线L上的连接点为注入点N，解耦电路(5)连接在火线L上的检测点M与注入点N之间，由单匝电感组成，单匝电感套在火线L上；EMI检测电路(2)和EMI注入电路(7)分别连接有EMI滤波控制器(1)；其中，EMI检测电路(2)、EMI注入电路(7)、解耦电路(5)和EMI滤波控制器(1)组成了数字有源EMI滤波器。

【技术特征摘要】
1.含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其特征在于，其包括通过火线L、零线N、地线PE依次连接的开关电源(6)、线性阻抗稳定网络(4)、市网电源(3)；线性阻抗稳定网络(4)和开关电源(6)之间的火线L上连接有EMI检测电路(2)和EMI注入电路(7)，EMI检测电路(2)在火线L上的连接点为检测点M，EMI注入电路(7)在火线L上的连接点为注入点N，解耦电路(5)连接在火线L上的检测点M与注入点N之间，由单匝电感组成，单匝电感套在火线L上；EMI检测电路(2)和EMI注入电路(7)分别连接有EMI滤波控制器(1)；其中，EMI检测电路(2)、EMI注入电路(7)、解耦电路(5)和EMI滤波控制器(1)组成了数字有源EMI滤波器；EMI注入电路(7)是由电阻Rinj1、Rinj2和电容Cinj1、Cinj2构成的RC带通滤波器，电容Cinj2的一端连接到开关电源(6)与解耦电路(5)之间火线L上的注入点N，电容Cinj2的另外一端与电阻Rinj1串联，并且Rinj1的另一端与EMI滤波控制器(1)相连，电阻Rinj2与电容Cinj1组成的并联电路一端接在电容Cinj2和电阻Rinj1之间的连接导线上，另一端接地。2.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其特征在于，EMI检测电路(2)是由电阻Rs和电容Cs构成的RC高通滤波器，电容Cs一端连接到线性阻抗稳定网络(4)与解耦电路(5)之间火线L上的检测点M，电容Cs另外一端与电阻Rs的一端串联连接，并连接至EMI滤波控制器(1)上，电阻Rs的另一端接地。3.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其特征在于，开关电源(6)选用型号为g4-1359TX的HP笔记本的充电电源，为噪声干扰源。4.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其特征在于，EMI滤波控制器(1)选取型号为EP2C35F672C8的FPGA数字信号处理器。5.根据权利要求1所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统，其特征在于，线性阻抗稳定网络(4)选用R&SENV216。6.根据权利要起1～5任一项所述的含解耦电路的数字有源EMI滤波系统中的解耦电路的设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：选取镍锌铁氧体作为解耦电路单匝电感的磁芯材料；步骤2：根据电磁干扰信号频率范围的上限频率为30MHz，选取解耦电路单匝电感的镍锌铁氧体磁芯的配方为：Fe2O3:NiO2:ZnO＝50.2:24.9:24.9，相对磁导率μr为150；步骤3：确定解耦电路单匝...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬军鹏，刘艺杰，曾光，李金刚，冯庆华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61