空调EMI电源滤波电路设计与仿真二
吕继方 肖彪 王会 万今明 于洪涛
摘要：为提高空调产品的电磁兼容特性，针对典型空调EMI电源滤波電路，提出基于ANSYS仿真软件的EMI滤波PCB设计与仿真方法。分别对滤波电路中的X电容、Y电容、共模电感、差模电感等进行单独建模，搭建完整滤波电路，通过Designer对其进行S参数仿真，利用Q3D准确提取PCB的寄生参数，通过网络分析仪测试相应的滤波PCB，验证该仿真方法的正确性与有效性。
关键词：电磁兼容； 插入损耗； 共模扼流圈； 等效电路
中图分类号：TM925.12； O441.5
文献标志码：B
文章编号：1006-0871（2018）01-0061-05
Abstract： In order to improve the electromagnetic compatibility of air conditioner， a design and simulation method for EMI filter PCB is proposed based on ANSYS. The models of X capacitor， Y capacitor， common mode inductor， and differential mode inductor in filter circuit are built individually， and the complete filter circuit is built. The parameter S of the filter circuit is simulated using Designer. The parasitic parameters of PCB are extracted exactly by Q3D. The test is done on the filter PCB using network analyzer， and the correctness and effectiveness are proved.
Key words： electromagnetic compatibility； insertion loss； common mode choke； equivalent circuit
0 引 言
随着变频技术的发展，电磁兼容设计成为空调开发过程中至关重要的环节之一。目前，空调中的开关电源、驱动模块等作为强干扰源，若无EMI滤波器则无法满足相应的电磁兼容标准。
EMI电源滤波器[1-3]的作用是使有用的频率信号如工频或直流信号通过，使无用的干扰频率信号衰减。能够无衰减地通过滤波器的信号频率段称为滤波器的通带，通过时受到很大衰减的频率段称为滤波器的阻带。
由于各种频率信号通过滤波器时的衰减不同，所以插入损耗是滤波器最重要的特性参数，插入损耗随着信号频率的变化而变化，定义为
式中：U1为信号源不接滤波器直接加在负载上的电压；U2为信号源通过滤波器后加在负载上的电压。
EMI电源滤波器的主要作用是对电源线上的干扰信号进行抑制。通常，按照干扰信号传导路径不同，可将干扰分为共模干扰和差模干扰，其中：共模干扰存在于电源线与大地或者中线与大地之间；差模干扰存在于电源相线与中线之间。对于三相电路来说，差模干扰还存在于相线与相线之间。共模干扰和差模干扰示意见图1。
1 滤波器建模
EMI电源滤波器一般由电容、电感等无源器件组成[4]，典型EMI滤波电路结构见图2，其中：L1和L2为差模电感；C1，C2，C5和C6为Y电容；C3和C4为X电容；L3为共模扼流圈。以此滤波电路结构为基础进行仿真与测试。
1.1 X电容和Y电容
由于电容中绝缘体的漏电阻、引线上的电感和电容等的存在，实际电容器并不是纯粹的电容[5-7]，其等效电路见图3a），其中：Llead和Clead分别为引线上的电感和电容；Rplate为电容平行板的电阻；Rdiel为电介质中的损耗。由于Rdiel非常大，Clead通常比电容标称值C小得多，故等效电路可简化成图3b），其电容的阻抗为
直流时图3所示的电路结构表现为开路，随着频率的增长，电容的阻抗逐渐占支配地位，并以-20 dB/10倍频的速率随频率减小，电感的阻抗值增加；直到频率f0=1/2πLC时其值与电容的阻抗相等，此频率下电路表现为一个净电阻；随着频率进一步增加，电感阻抗占支配地位，此时整个电容表现为电感的特性。
使用安捷伦阻抗分析仪4395A对X电容（2.2 μF）进行测试，结果见图4。根据图4结果和式（2）可计算出该电容的参数。在ANSYS Designer中建立该电容的等效模型并仿真验证，得到该电容阻抗仿真结果，见图5。对比2个结果可知，阻抗随频率变化基本一致，可见该方法建立的X电容等效电路与该电容实际特性相符。
Y电容的建立方法与X电容的建立方法一致。Y电容（4.7 nF）阻抗测试结果和仿真结果分别见图6和7，谐振频率分别约为18.3和18.8 MHz，两者吻合良好。
在使用X电容或Y电容时，抑制电流的频率须在电容的自谐振频率附近，否则该电容的实际阻抗将比理想特性阻抗大。
1.2 差模电感
常用的EMI电源滤波器中的差模电感都是由线圈绕制而成的，磁芯为铁氧体软磁磁芯。考虑到电感自身的损耗电阻、分布电容等参数，实际电感的等效电路见图8，其阻抗为
在直流时，ZL=R；随着频率增加，电感占主要支配地位，当达到电感自谐振频率f0=1/2πLCp时，寄生电容阻抗绝对值等于电感阻抗绝对值，此时ZL达到最大值；随着频率的进一步增加，整个电感的阻抗呈现电容阻抗特性。
结合式（3），在Designer建立等效电路并仿真，结果见图9。该差模电感在0.89 MHz时发生谐振。
1.3 共模扼流圈
共模扼流圈对EMI传导噪声抑制具有非常重要的作用，但由于其自身磁性材料的频率特性、绕组漏感、寄生电容等因素的影响，很难准确地对其进行等效电路建模。[8-11]采用矢量网络分析仪测试现有共模扼流圈，得到其等效二端口S参数，并将其代入到整体电路中进行仿真。利用矢量网络分析仪直接测试可以更实际地反映共模扼流圈频谱特性。
由于共模扼流圈抑制共模干扰和差模干扰的原理不同，因此测试时分别对其进行差模测试和共模测试。采用R&S;型号为ZNB 8的矢量网络分析仪进行测试，由于空调的传导测试频段为150 kHz～30 MHz，所以主要考虑该EMI电源滤波电路对传导干扰的抑制作用，对共模扼流圈的测试频段设置为9 kHz～30 MHz。共模扼流圈（10 mH/10 A）的差模和共模测试结果见图10。
1.4 PCB走线
随着频率的增加，PCB中的走线变得不再理想，其上的电感、电阻及线间的电容等对PCB板特性影响增大。为更加准确地反映PCB板布局、布线等因素对滤波板特性的影响[12-13]，采用Q3D对滤波PCB板进行寄生参数提取，得到相应的C，A和L等参数，并将其代入到Designer中与各滤波器件互联，仿真整体滤波电路。仿真频段为9 kHz～30 MHz时Q3D对滤波板提取C和G值示意见图11。
2 滤波电路仿真和测试验证
滤波器的特性与其源端和负载端的阻抗直接相关。为更好地将仿真与测试进行对比，源端和负载端的阻抗均采用50 Ω进行仿真和测试。
由于传导干扰中共模干扰和差模干扰路径不同，故仿真时分别搭建共模等效电路和差模等效电路。将各滤波器件等效电路添加到Designer中搭建相应的仿真电路，分别进行差模S参数仿真和共模S参数仿真。其中，差模等效电路的仿真模型见图12。
同时，利用ZNB8矢量网络分析仪对该滤波板进行测试，得到其S21参数，将其与仿真结果进行对比，见图13。
由图13可以看出，仿真结果与测试结果吻合较好，该仿真能够较好地反映该滤波电路的通带、阻带等频率特性。
3 滤波电路在实际产品中的应用
为验证上述滤波板的实际滤波效果，将其连接到某实际产品上进行测试，测试频段为150 KHz～30 MHz。该产品未加滤波板时的测试结果见图14。由此可以看出，在低频段时产品噪声较大，超过标准限值。滤波板加到该产品后的测试结果见图15。测试频段内的干扰噪声大部分被抑制，该滤波器起到较好的滤波效果，尤其在低频段（150 KHz～10 MHz）时滤波效果更好，这与前文滤波器的测试和仿真结果吻合。
4 结束语
通过对单个滤波器件按不同的等效电路分别建模，搭建整个滤波电路，并考虑PCB板的寄生参数对滤波板特性的影响。该方法能够较好地得到滤波电路的插入损耗特性，对空调中电源滤波板的设计和整改有直接的指导作用。
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（编辑 武晓英）
