導言：傳統(tǒng)的EMI濾波器設計方法需要進行大量的計算，以確定合適的電抗元件參數，設計過程較繁瑣，本文介紹利用Pspice軟件輔助設計EMI濾波器。
開關電源以其體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等方面的優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、國防、家用電器等各個領域。然而開關電源產生的諧波開關噪聲會對共用同一電源的其他設備產生干擾。這在汽車應用、長距離通信、工業(yè)測量等場合特別明顯。為了消除這干擾，常需在輸入電源和開關變換器間加入EMI濾波器。
傳統(tǒng)的EMI濾波器設計方法需要進行大量的計算，以確定合適的電抗元件參數，設計過程較繁瑣。PSpice是業(yè)界公認的優(yōu)秀仿真軟件，它能對電路進行參數掃描和優(yōu)化，通過多次反復計算，得出針對某變量的性能曲線，由性能曲線即可找到最佳參數值。因此，針對EMI濾波器設計需要大量、重復計算這一特點，使用Pspice輔助設計有助于優(yōu)化電路參數，提高設計效率。
1、 EMI濾波器的設計步驟
適用于開關電源的EMI濾波器通常應滿足以下幾個要求：
(1)反射紋波衰減特性：EMI濾波器提供的衰減必須能使輸入電源的電流紋波系數達到要求水平；
(2)阻抗特性：在變換器工作的頻率范圍內，變換器的輸入阻抗必須遠大于濾波器的輸出阻抗，否則可能導致振蕩；
(3)上電特性：在階躍輸入的情況下易產生浪涌電流。由于應力及熔斷器定額的原因，EMI濾波器應具有一定的吸收浪涌電流的能力。
圖1顯示了應用于開關電源的EMI濾波器的設計流程。下面結合實例闡述使用PSpice設計的具體方法。假定有一Buck變換器(閉環(huán))，輸入電壓Vin=100～120VDC，輸出功率P=2．10 W，電源效率為93．75％，工作頻率f=25 kHz。要求設計一個二階EMI濾波器，使流過電源Vin的電流紋波小于20 mA。根據要求，采用PSpice輔助設計的二階EMI濾波器的設計步驟如下：
(1)計算開關電源的最小輸入阻抗
閉環(huán)系統(tǒng)中，不論電路工作在何種狀態(tài)，反饋環(huán)路總是努力去保持電路的輸出功率恒定。因此，從輸入端看，開關變換器就像一個負電阻RN。當輸入電壓變化時，負電阻阻值發(fā)生變化。若在變換器前端加一EMI濾波器，由于負阻的影響，可能導致系統(tǒng)振蕩。根據Middlebr ook的理論，若濾波器的輸出阻抗Zfilter遠小于RN，系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。
采用PSpice中模擬行為模型GVALUE建立負阻模型，使用網絡傳遞函數分析語句，TF計算最小RN值。相應的SPICE語句為：GN 10 Value={75／Vin}。可得上述開關電源的最小輸入阻抗RN=-39 Ω。
(2)計算輸入電流的基波幅值和所需衰減
使用Pspice計算基波幅值有兩種方法：
①通過．FOUR語句計算輸入電流的基波分量；
②用電流探針測出電流波形，在Probe中直接進行快速傅里葉變換(FFT)，使用Toggle Cursor功能找出基波峰值點。
上述兩種方法的結果相同，得到的基波幅值I1m=3．15 A，有效值I1rms=2．23 A。
若輸入電流波形未知，可預估其形狀，然后找出此類電流波形基波可能取得的最大值。具體做法為：在PSpice 中選用合適模型建立相應的激勵源，通過參數掃描分析，PARAM求得最大基波幅值。
當I1rms已知時，可求出所需的衰減系數為(用分貝表示)：A=45 dB。
(3)計算LC元件值
一般的二階EMI濾波器的結構如圖2所示，其中R1，R2為電感電容的等效串聯電阻，開關變換器等效為負電阻RN。EMI濾波器的轉折頻率f0與衰減系數的關系為：
由上式可得所需EMI濾波器的轉折頻率應小于1．34kHz。為了獲得較好的濾波效果，取L=200μH，C=280 μF。由器件參數表查得等效串聯電阻值R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。
(4)濾波器的振蕩特性
檢驗濾波器是否振蕩的方法有兩種：
①直接進行瞬態(tài)分析，TRAN，查看RN兩端電壓波形是否產生振蕩；
②計算濾波器的交流輸出阻抗。操作方法為：將RN替換為一個幅值為1 A的交流電流源，設定交流掃描區(qū)間為1～300kHz，每十倍頻取100個點。掃描過程中，PSpice將Vin視為短路。由于電流源的幅值為1 A，則電流源兩端的電壓值與濾波器輸出阻抗在數值上相同。掃描所得的電壓曲線可看做EMI濾波器的輸出阻抗曲線。使用Toggle cursor功能找到最大阻抗值Zfilter。若Zfilter<<RN，系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。一般來說，當Zfilter與RN有6 dB的容限即可認為系統(tǒng)穩(wěn)定。
采用方法①進行瞬態(tài)分析，仿真時間為15 ms。結果顯示，t>9 ms后，輸出電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)無振蕩。
采用方法②得到的阻抗曲線顯示，當開關變換器的工作頻率為676．083 Hz時，濾波器取得最大輸出阻抗，阻抗值4．53 Ω遠小于RN最小值39 Ω，即系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。
若選擇的元件參數不合適導致系統(tǒng)振蕩，解決的辦法通常有兩種：
①重新選擇L，C值，再次檢驗，直到選擇的參數使電路穩(wěn)定。
②增大EMI濾波器的阻尼，抑制振蕩。具體方法：在RN兩端并聯一個RC串聯電路，一般取Cdamp=(3～5)C，Rdamp=Zfilter。
上述2種方法都需要多次仿真以確定最佳參數。
在Pspice中綜合使用參數掃描和性能分析的方法，可很快找到最佳參數值。
(5)濾波器的上電特性
在許多應用中，輸入電壓是以階躍的形式加載的，比如開關的合閘、繼電器的閉合等，在這類施加電壓的過程中，階躍電壓往往會造成較大的浪涌電流。如不加以限制，此電流有可能損壞器件。EMI濾波器具有吸收浪涌電流的功能，通?？稍跒V波器前端施加一個從0 V躍變到最大輸入電壓的階躍輸入，并監(jiān)測濾波器吸收的電流，以此來評估濾波器的上電特性。
如圖2所示，在電路中加入時域開關SW_tclose來模擬階躍輸入。設置開關閉合時刻Tc=1 ms，則相應的階躍輸入為u(t)=Vin·δ(t-Tc)。設置仿真時間為20 ms，最大步長為1μs，測量流過電感的電流IL及流過開關變換器的電流IRN。結果表明，IL_max=9．77 A，IRN_max=16．7 A。根據手冊查得所用電感的最大飽和電流IL_sat及開關器件的最大電流IIGBT。因為IL_max<IL_sat，IRN_max<IIGBT，故濾波器的上電特性符合要求。
若選擇的元件值造成浪涌電流較大，說明濾波器的阻尼較小，可通過增大濾波器阻尼解決這一問題。具體做法可參照步驟(4)。
2 、實驗結果
濾波器參數為L=200μH，C=280μF，R1=10 mΩ，R2=150 mΩ。測得加入濾波器前后流過Vin的電流紋波波形如圖3所示。
由圖3可知，加入濾波器后Iin的紋波顯著減小。測得未加入濾波器時Iin基波電流有效值為2．23 A，加入后的有效值為19．1 5 mA。由結果可知，設計的EMI濾波器符合衰減要求。
本文小結
PSpice可彌補傳統(tǒng)的EMI濾波器設計方法涉及大量計算這一不足。采用PSpice輔助設計可以減輕設計工作量，通過合理的優(yōu)化使電路參數更精確、可靠；使用PSpice仿真還能對EMI濾波器的性能進行多方面的預測，在設計前期發(fā)現可能存在的問題并及時解決；另外，上述方法同樣適用于高階EMI濾波器的設計。
