无源滤波器在开关电源中的应用研究.docx

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无源滤波器在开关电源中的应用研究

湖南铁路科技职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

课题:

无源滤波器在开关电源中的应用研究

——电磁干扰EMI与防护技术

编号:

专业:

电气化铁道技术　　

班级:

电化铁道312-8班

学生姓名:

　刘富强　　

指导单位:

湖南铁路科技职业技术学院

指导教师:

蒋逢灵

设计（论文）任务与要求:

任务:

了解无源滤波器的作用，掌握传导性电磁干扰对开关电源的影响，以基本达到对无源滤波器的基础认识。

分析开关电源对无缘滤波器的性能要求，以及无源滤波器的参数设计，故而验证无源滤波器对传导性电磁干扰的消除作用。

要求：

此次论文设计的要求具体是要体现设计的思路，跟在实际应用中所发挥的有效作用，并详细介绍无源滤波器对传导干扰的抑制效果。

设计（论文）依据的原始资料:

[1]湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）工作规范（铁路科职院[2009]26号文件）

设计（论文）文件的组成及要求:

　论文组成：

中文摘要、目录、绪论、前言、正文、结论、致谢、参考文献、附录、指导教师评阅表、评阅教师评阅表、答辩评阅表。

论文要求：

文章整齐，语言明确，思路清晰，论点中肯。

并且在设计中准确表达自己的设计成果。

参考资料:

[1]杨旭.开关电源基础[M]北京:

机械工业出版社，2004.

[2]区文昌.无源滤波器与开关电源防护设计[J]安全与电磁兼容，2002.

[3]周志敏.开关电源实用技术设计与应用[M]北京：

人民邮电出版社，2003

[4]王庆斌.电磁干扰与电磁兼容性技术[M]北京：

机械工业出版社，2002.

[5]张逸成，苏丹，朱学军等.抑制开关电源高频噪声的电磁干扰滤波器设计方法[J].城市轨道交通研究，2007.

[6] 幸伊波. 开关电源基础与应用.［J］ 西安:

电子科技及大学出版社 2009.7. 

任务下达时间:

毕业设计开始与完成任务日期:

系部专业教学指导委员会

该毕业设计（论文）选题符合本专业人才培养目标要求，同意下达任务

系部主任审批意见

同意按计划执行

签字年月日

摘要

传导性电磁干扰是电气设备开关电源中的主要干扰源,所以电磁兼容性指标已经成为开关电源设计的重要参数。

从开关电源的工作原理出发,对开关电源的电磁干扰机理进行分析,研究使用无源滤波技术减少电磁干扰。

从实际应用角度对无源滤波器中电容、电感等元件的特性进行了分析,给出了实用电路和元件参数。

无源滤波技术在轨道交通空调专用电源上的应用结果表明,使用无源滤波技术对电磁干扰有很好的抑制效果。

由于开关电源的高功率密度、高开关工作频率和紧凑结构，因此对其电磁兼容提出了更高的要求。

分析了传统无源电磁干扰滤波器的缺点，提出有源共模滤波器的设计思想，并分析了其工作原理。

以一台反激式开关电源为研究对象，具体设计出其有源共模滤波器。

最后通过电路仿真和实验，验证了该方案的有效性和可行性。

关键词：

无源滤波器；开关电源；传导性电磁干扰

目录

摘要1

第一章　绪论1

1.1课题研究背景1

第二章无源滤波器简介2

2.1无源滤波器定义2

2.2无源滤波器的优缺点2

2.3滤波器的分类2

2.3.1有源滤波器3

2.3.2开关电容滤波器4

2.3.3几种新型数字滤波器5

2.4无源滤波器的发展历程 7

第三章开关电源简介8

3.1开关电源的定义8

3.2开关电源的分类10

3.3开关电源的选用11

3.4开关电源对无源滤波器的性能要求12

3.4.1开关电源的传导性EMI分析12

3.5开关电源技术的发展动向14

第四章电磁干扰EMI与防护技术15

4.1电磁干扰的定义15

4.2电磁干扰的危害15

4.3电磁干扰的控制16

4.4无源滤波器对开关电源电磁干扰的应用17

4.5电磁干扰的解决办法19

4.5.1对电流谐波的抑制19

4.5.2对振铃电压的抑制20

4.5.3对传导干扰信号的抑制21

4.5.4对辐射干扰信号的抑制23

4.5.5对高压的静电的消除23

结论25

致谢26

参考文献27

第一章　绪论

1.1课题研究背景

当前人类的生存环境也已具有浓厚的电磁环境内涵。

随着城市人日的迅速增长，汽车、电子通信、计算机与电气设备大量进人家庭，空间人为电磁能量每年都再增长，21世纪电磁环境恶化已成定局严重恶化的电磁环境对人类生活日益依赖的通信，计算机与各种电子系统都将造成灾难性的危害。

电磁干扰除了可能对系统的效能有着重大的影响。

人们对电磁干优的研究工作可追溯  到19世纪，希维赛德于1881年写的“论干扰”一文可算得上最重要的早期文献，此后188年柏林电气协会成立了干扰问题委员会，紧接着在1889年英国邮电部门开始研究其通信干扰问题。

到本世纪20年代以后，各先进工业国家都日益重视EMI的研究，成立了许多相关的国际组织。

本世纪40年代，为了解决由于飞机通信系统受到电磁干扰造成飞行事故的问题，开始较为系统地进行EMI技术的研究。

美国自1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，并不断加以充实和完善，使得EMI技术进入新的阶段。

60年代以来，现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度，高可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到了整个社会的每个角落。

因而发达国家在EMI研究方面投入了大量的人力物力形成了EMI热。

当前人类的生存环境也已具有浓厚的电磁环境内涵。

随着城市人日的迅速增长，汽车、电子通信、计算机与电气设备大量进人家庭，空间人为电磁能量每年都再增长，21世纪电磁环境恶化已成定局严重恶化的电磁环境对人类生活日益依赖的通信，计算机与各种电子系统都将造成灾难性的危害。

电磁干扰除了可能对系统的效能有着重大的影响，其影响如图1所示。

为此世界各国均十分重视愈来愈复杂的电磁环境及其广泛的影响，电磁兼容技术是由过去的。

电磁干扰。

（Electromagnetic Interference）演变而来的。

而人们对电磁干优的研究工作可追溯  到19世纪，希维赛德于1881年写的“论干扰”一文可算得上最重要的早期文献，此后188年柏林电气协会成立了干扰问题委员会，紧接着在1889年英国邮电部门开始研究其通信干扰问题。

到本世纪20年代以后，各先进工业国家都日益重视EMC的研究，成立了许多相关的国际组织。

本世纪40年代，为了解决由于飞机通信系统受到电磁干扰造成飞行事故的问题，开始较为系统地进行EMC技术的研究。

美国自1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，并不断加以充实和完善，使得EMC技术进入新的阶段。

60年代以来，现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度，高可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到了整个社会的每个角落。

因而发达国家在EMc研究方面投入了大量的人力物力形成了EMC热当前人类的生存环境也已具有浓厚的电磁环境内涵。

随着城市人日的迅速增长，汽车、电子通信、计算机与电气设备大量进人家庭，空间人为电磁能量每年都再增长，21世纪电磁环境恶化已成定局严重恶化的电磁环境对人类生活日益依赖的通信，计算机与各种电子系统都将造成灾难性的危害。

电磁干扰除了可能对系统的效能有着重大的影响，其影响如图1所示。

为此世界各国均十分重视愈来愈复杂的电磁环境及其广泛的影响，电磁兼容技术是由过去的。

电磁干扰。

（Electromagnetic Interference）演变而来的。

而人们对电磁干优的研究工作可追溯  到19世纪，希维赛德于1881年写的“论干扰”一文可算得上最重要的早期文献，此后188年柏林电气协会成立了干扰问题委员会，紧接着在1889年英国邮电部门开始研究其通信干扰问题。

到本世纪20年代以后，各先进工业国家都日益重视EMC的研究，成立了许多相关的国际组织。

本世纪40年代，为了解决由于飞机通信系统受到电磁干扰造成飞行事故的问题，开始较为系统地进行EMC技术的研究。

美国自1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，并不断加以充实和完善，使得EMC技术进入新的阶段。

60年代以来，现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度，高可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到了整个社会的每个角落。

因而发达国家在EMc研究方面投入了大量的人力物力形成了EMC热窗体顶端

窗体底端

第二章无源滤波器简介

2.1无源滤波器定义

无源滤波器，又称LC滤波器，该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。

可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。

2.2无源滤波器的优缺点

无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。

2.3滤波器的分类

⑴ 按所处理的信号 

按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

 ⑵按所通过信号的频段 

按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

低通滤波器：

（2-1）

式中：

K为增益常数；

为极点频率；

为零点频率；

为极偶品质因数；

它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

   高通滤波器：

它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。

高通滤波器：

（2-2）

一般用于某次及以上次的谐波抑制。

当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

带通滤波器：

（2-3）

它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

   带阻滤波器：

它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

⑶ 按照阶数来分 

通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。

2.3.1有源滤波器

有源滤波器由下列一些有源元件组成：

运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗变换器（PIC）、负阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和零子。

1965年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。

70年代初期，有源滤波器发展引人注目，1978年单片RC有源滤波器问世，为滤波器集成迈进了可喜的一步。

由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20kHz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100kHz以内。

1974年产生了更高频的RC有源滤波器，使工作频率可达GB/4（GB为运放增益与带宽之积）。

由于R的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现了有源C滤波器：

就是滤波器由C和运放组成。

这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源C滤波器的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关。

但它有一个主要问题：

由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通道，使稳定性成为难题。

1982年由Geiger、Allen和Ngo提出用连续的开关电阻（SR）去替代有源RC滤波器中的电阻R，就构成了SRC滤波器，它仍属于模拟滤波器。

但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大

总之，由RC有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值可达1000，克服了RLC无源滤波器体积大，Q值小的缺点。

但它仍有许多课题有待进一步研究：

理想运放与实际特性的偏差的研究；由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究；应用线性变换方法探索最少有源元件的滤波器需要继续探索；元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决；由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大（20%～30%），线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。

尽管有这么多问题，RC有源滤波器的理论和应用仍在持续发展中。

2.3.2开关电容滤波器

20世纪80年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集成（LSI）。

使用最多的滤波器成为“拦路虎”，RC有源滤波器不能实现LSI，无源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。

50年代曾有人提出SCF的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。

1972年，美国一个叫Fried的科学家发表了用开关和电容模拟电阻R，说SCF的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关，这样才引起人们的重视。

1979年一些发达国家单片SCF已成为商品（属于高度保密技术）。

现在SC技术已趋成熟。

SCF采用MOS工艺加以实现，被公认为80年代网络理论与集成工艺的一个重大突破。

当前MOS电容值一般为几皮法至100pF之内，它具有（10～100）×10-6/V的电压系数与（10～100）×10-6/℃的温度系数，这两个系数几乎接近理想的境界。

SCF具有下列一些优点：

SCF可以大规模集成；SCF精度高，因为其性能取决于电容之比，而MOS电容之比的误差小于千分之一；功能多，几乎所有电子部件和功能均可以由SC技术来实现；比数字滤波器简单，因为不需要A/D、D/A转换；功能小，可以做到小于10mW。

SCF的应用以声频范围应用为主体，工作频率在100kHz之内。

在信号处理方面的应用有：

程控SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变换……总之，SCF在仪表测量、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域都有广泛的应用前景。

在我国，1978年有的导师和在校研究生开始进行这项研究工作，真正引起人们重视是1980年以后。

1983年清华大学已制成单片SCF，成都工程学院与工厂联合，也研制成单片SCF。

现在关键是用MOS工艺实现SCF及推广应用问题，由于用户还不了解它，在我国SCF的应用还没有普及。

SCF还有许多课题有待研究：

⑴由于运放和控制MOS开关的采样频率所限制，使得SCF只能在音频范围内应用。

近年虽然出现无运放的SC电路，但由于采样频率的限制，工作频率最高只有在1MHz之内。

⑵非的MOS开关的沟道电阻以及非理想的运放特性，均可使SCF造成误差。

⑶开关电容本身的寄生电容使SCF的频响发生畸变。

⑷MOS开关与MOS运放的热噪声使SCF的动态范围受到限制。

⑸最终要以MOS工艺来实现的SCF，由于它是时变网络，要想用分立元件精确模拟是不可能的，这样，设计完善的CAD技术是解决这一问题的唯一手段。

此外，在灵敏度分析、噪声分析等方面均有许多课题有待研究。

2.3.3几种新型数字滤波器

大家对DF并不陌生，这里不做系统综述，但对一些新型DF做一些介绍。

（1）自适应DF

最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于现代控制理论研究的课题。

自适应DF具有很强的自学习、自跟踪功能。

它在雷达和声纳的波束形成、缓变噪声干扰的抑制、噪声信号的处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获得了广泛的应用，促进了现代控制理论的发展。

自适应DF有如下一些简单算法：

W—LMS算法、M—LMS算法、TDO算法、差值LMS算法和C—LMS算法。

（2）复数DF

在输入信号为窄带信号处理系统中，常采用复数DF技术。

为了降低采样率而又保存信号所包含的全部信息，可利用正交双路检波法，取出窄带信号的复包络，然后通过A/D变换，将复包络转化为复数序列进行处理，这个信号处理系统即为复数DF。

它具有许多功能：

MTI雷达中抑制具有卜勒频移的杂波干扰；数字通信网与模拟通信网之间多路TDM/FDM信号变换复接……

（3）多维DF

在图像处理、地震、石油勘探的数据处理中都用到多维DF（常用是二维DF），多维DF的设计，往往将一维DF优化设计直接推广到多维DF中去。

对于模糊和随机噪声干扰的二维图像的处理，多维DF也能发挥很好的作用。

此外，还有波DF，它便于实现大规模集成，便于无源和有源滤波网络的数字模拟。

因此，正受到人们的重视和加以研究。

对于DF有待研究的课题有：

系数灵敏度、舍入噪声和极限环、多维逆归滤波器的稳定性、各种硬件和软件实现DF的研究等等。

总之，DF在数字信号处理技术中占有极为重要的地位，对于它的研究、生产和应用等工作均是很有意义的。

其他新型滤波器

为适应各种需要，出现了一批新型滤波器，这里介绍几种已得到广泛应用的新型滤波器。

（1）电控编程CCD横向滤波器（FPCCDTF）

电荷耦合器（CCD）固定加权的横向滤波器（TF）在信号处理中，其性能和造价均可与数字滤波器和各种信号处理部件媲美。

这种滤波器主要用于自适应滤波；P-N序列和Chirp波形的匹配滤波；通用化的频域滤波器及相关积运算；语音信号和相位均衡；相阵系统的波束合成和电视信号的重影消除等均有应用。

当然，更多的应用有待进一步开拓。

总之，FPCCDTF是最有希望的发展方向。

（2）晶体滤波器

它是适应单边带技术而发展起来的。

在20世纪70年代，集成晶体滤波器的产生，使它的发展产生一个飞跃。

近十年来，晶体滤波器致力于下面一些研究：

实现最佳设计，除具有优良的选择外，还具有良好的时域响应；寻求新型材料；扩展工作频率；改造工艺，使其向集成化发展。

它广泛应用于多路复用系统中作为载波滤波器，在收发信中，单边带通信机中作为选频滤波器，在频谱分析仪和声纳装置中作为中频滤波器。

（3）声表面滤波器

它是理想的超高频器件。

它的幅频特性和相位特性可以分别控制，以达到要求，而且它还有体积小，长时间稳定性好和工艺简单等特点。

通常应用于：

电视广播发射机中作为残留边带滤波器；在彩色电视接收机中调谐系统的表面梳形滤波器。

此外，在国防卫星通信系统中已广泛采用。

声表面滤波器是电子学和声学相结合的产物，而且可以集成，所以，它在所有无源滤波器中最有发展前途的。

从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。

从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：

LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。

从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。

2.4无源滤波器的发展历程 

（1）1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。

（2）20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。

（3）自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。

导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展；  

（4）到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。

（5）80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。

（6）90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。

   当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。

第三章开关电源简介

3.1开关电源的定义

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

  开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和开关器件（MOSFET、BJT等）构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

  开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

    控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。

也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。

他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

  开关电源有两种主要的工作方式：

正激式变换和升压式变换。

尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

所谓开关电源，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，那么什么是门呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。

振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止，300V电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。

待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。

这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50HZ低频。

那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢，这就需要有个振荡电路产生，我们知道，晶体三极管有个特性，就是基极对发射极电压是0.65-0.7V是放大状态，0.7V以上就是饱和导通状态， -0.1V- -0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反