降低了输入电流纹波系数的滤波器PSpice设计
引言
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。
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 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。
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《 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 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。
3 结论 传统的emi滤波器设计方法涉及大量计算，pspice可弥补这一不足。采用pspice辅助设计不但减轻了设计工作量，还能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。
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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 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。
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《 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。
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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 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。
3 结论 传统的emi滤波器设计方法涉及大量计算，pspice可弥补这一不足。采用pspice辅助设计不但减轻了设计工作量，还能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。
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