直流電機伺服驅動開關電源的EMI濾波器設計

發布時間：2010-7-17 23:33 發布者：conniede

引言
直流電機專用伺服驅動電源，已不僅僅是傳統意義上的開關電源，它直接參與了直流電機的控制工作，其特有的微機接口控制和上電時序控制功能尤其適合直流電機驅動系統，相對傳統的通用型大功率電源有著明顯的的技術優勢，其多功能的技術特點，符合電機驅動電源系統的發展方向。然而，隨著電子設計、計算機與家用電器的大量涌現和廣泛普及，電網噪聲干擾日益嚴重并形成一種公害。特別是瞬態噪聲干擾，其上升速度快、持續時間短、電壓振幅度高(幾百伏至幾千伏)、隨機性強，尤其會對微機和伺服驅動系統易產生嚴重干擾，常使人防不勝防。
電磁干擾濾波器(EMI Filter)是近年來被推廣應用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網噪聲，提高伺服系統和電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性，可廣泛用于電子測量儀器、計算機機房設備、開關電源、測控系統等領域。本文介紹的就是一種直流電機伺服驅動開關電源的EMI濾波器設計。

濾波器設計

根據直流電機伺服驅動開關電源系統的特點，本設計中的EMI濾波器采用雙級LC網絡設計，雙級LC網絡插入開關電源電路中的位置如圖1所示。

假定直流電源側為低阻抗電壓源US，DC／DC變換器輸入端為高阻抗電流源i(t)。那么LC濾波器只能選擇“Γ”型結構，最簡單的雙“Γ”型LC網絡如圖2所示。其頻域傳遞函數為：

由于LC網絡諧振時，會產生很大的電流(電壓)峰值，這個網絡有3個頻率點的諧振峰值是必須限制，否則，會產生更大的EMI。限制這3個頻率點的峰值是設計這個濾波器的主要指導思想。這3個頻率點分別是：
由于LC網絡諧振時，會產生很大的電流(壓)峰值，這個網絡有3個頻率點的諧振峰值是必須限制，否則，會產生更大的EMI。限制這3個頻率點的峰值是設計這個濾波器的主要指導思想。這3個頻率點分別是：
第一級濾波器的諧振頻率：

第二級濾波器的諧振頻率:

第3個頻率點就是DC／DC變換器的開關頻率f。
下面具體討論濾波器設計方法，即選取LC網絡中元件參數的方法：
由上面3個式子，3個頻率點對應的傳遞函數的幅值分別為：

元件參數選取方法討論如下：
為了限箭f1點的諧振峰值，要求插入衰減
zollogH1=zologC1／C2＜0，即C1

元件參數選取步驟歸納如下：
(1) 由(7)～(9)式確定了比值，這樣只有二個參數是獨立的；
(2) 由于濾波器負載側(開關電流i(t)側)諧波分量較大，C2應選一個大容量電容器。
(3) 由(1)、(2)步結果代入(9)式，就可以確定另一個獨立參數。
(4) 由直流側電源Us確定電容器額定電壓值Uce≥2Us。
例如：若開關電源開關頻率f=50kHz，Us=24V，由上述參數選取原則，選取二組參數見表1。

EMI濾波器的技術參數及測試方法

主要技術參數

EMI濾波器的主要技術參數有：額定電壓、額定電流、漏電流、測試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗AdB、外形尺寸、重量等。上述參數中最重要的是插入損耗(亦稱插入衰減)，它是評價電磁干擾濾波器性能優劣的主要指標。
插入損耗(AdB)是頻率的函數，用dB表示。設電磁干擾濾波器插入前后傳輸到負載上的噪聲功率分別為P1、P2，有公式：
AdB=101g(P1／P2) (10)
假定負載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12／Z，P2=V22／Z。式中V1是噪聲源直接加到負載上的電壓，V2是在噪聲源與負載之間插入電磁干擾濾波器后負載上的噪聲電壓，且V1< AdB=201g(V1／V2) (11)

插入損耗的測量方法

插入損耗用分貝(dB)表示，分貝值愈大，說明抑制噪聲干擾的能力愈強。測量插入損耗的電路如圖3所示。US是噪聲信號發生器，Zi是信號源的內部阻抗，ZL是負載阻抗，一般取50Ω。噪聲頻率范圍可選10kHZ～30MHz。首先要在不同頻率下分別測出插入前后負載上的噪聲壓降V1、V2，再代入(11)式中計算出每個頻率點的AdB值，最后繪出插入損耗曲線。

結語

實驗結果表明本文設計的LC雙級濾波器具有濾波效果好、結構簡單、價格便宜、實用性強等特點。

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