一种数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路

1.本发明涉及开关电源传导电磁干扰的建模与抑制领域，特别涉及一种数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路。


背景技术：

2.随着宽禁带器件的不断发展，开关电源的开关频率不断提高，印刷电路板(pcb)的布局也越发紧凑，其功率密度不断提高，但同时也引发了越发严重的电磁干扰(emi)，尤其是传导emi。为了通过emi测试标准，通常需要在开关电源前级添加emi滤波器。
3.传统的无源emi滤波器采用电感与电容构成的低通滤波器来实现对emi的抑制。然而，由于安规的限制，无源emi滤波器中的电容容值不能过大。为了实现较好的滤波效果，需要提高其中电感的感值，这导致无源emi滤波器的体积与重量居高不下。同时，传统的无源emi滤波器只能在开关电源完成设计后，利用其实际测量得到的emi频谱与所需通过的标准进行比对，得到各频段处所需的衰减，随后进行设计，对滤波器的体积和大小无法进行有效的预估与判断，对产品的设计不利。
4.有源emi滤波器(aef)利用模拟电路对电路中的emi噪声进行采集，重构并注入，构建前馈或者反馈结构来实现对emi的抑制，体积可以做得很小。然而，传导emi的频率范围为150khz-30mhz，要实现较好的抑制效果，则要求aef的模拟电路具有极高的带宽，这使得aef的成本居高不下。aef通常仅在150khz-2mhz的低频范围内效果较好，仍需配合一定的无源滤波器才能实现全频段范围内较好的滤波效果。
5.数字式有源滤波器通过高速adc采集emi噪声，在数字信号处理芯片中对噪声进行重构，经过dac转换为模拟信号后再注入回去，以抑制emi噪声。该方法同样存在着带宽高，器件成本高的问题。
6.本发明提出了一种结构简单，成本低、体积小、易实现的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路的电路结构，该电路可用于boost变换器。该电路结构不存在电压采样与反馈，结构简单；对带宽要求不高，成本低廉；应用于ccm模式的boost变换器时，所用器件均为低压小电流器件，体积很小。
8.本发明的技术方案是这样实现的：
9.一种数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路，应用于boost变换器，利用变换器的同步pwm信号经隔离半桥驱动ic驱动由低压nmos构成的半桥，构建一个与噪声源v
ds
波形形状相同，幅值成比例的补偿电压v
comp
，经过串联lc构成的注入支路注入母线，反向抵消电路中的差模传导电磁干扰，所述电路结构包括一个隔离半桥驱动ic，两个低压nmos管构成的半桥电路，一个隔离辅助电源v
aux
，一个补偿电容c
comp
和一个补偿电感l
comp
，其中，隔离半桥驱动ic的驱动侧下管供电与低压nmos构成的半桥的正母线均连接到隔离辅助电源v
aux
的输
出端，并连接到boost变换器的输入负母线；隔离半桥驱动ic的驱动侧下管参考地与低压nmos构成的半桥的负母线均连接到隔离辅助电源v
aux
的参考地，并连接到boost变换器的输入正母线，补偿电容c
comp
与补偿电感l
comp
串联形成注入支路，一端连接在半桥中点，另一端连接到boost变换器输入负母线。
10.所述隔离半桥驱动ic的pwm信号来源于boost变换器功率mos管q的同步pwm信号，从而在低压nmos组成的半桥的中点处生成与噪声源v
ds
波形形状相同，幅值成比例的补偿电压v
comp
。
11.所述隔离半桥驱动ic上管驱动供电采用自举电路结构，无需额外辅助电源。
12.为减少辅助电源的数量，隔离辅助电源v
aux
同时为隔离半桥驱动ic与低压nmos构成的半桥供电，其电压应处于常规nmos驱动ic供电电压范围之内，即10-20v。
13.由nmos构成的半桥电路用于构建补偿电压源v
comp
，并反向注入补偿电流，半桥供电为隔离辅助电源v
aux
，为10-20v，因此nmos取封装较小的低压nmos管即可。
14.所述补偿电容c
comp
与补偿电感l
comp
串联组成注入支路，补偿电容c
comp
的主要作用是将功率流与补偿电路隔离开来，补偿电感l
comp
则起到阻抗匹配的作用，在传导电磁干扰的测试频率范围内，补偿电感l
comp
的阻抗占据主导地位，因此，注入支路的谐振频率应满足：
[0015][0016]
其中，150khz为传导电磁干扰测试频率范围的起始频率。
[0017]
所述补偿电感l
comp
用于阻抗匹配，以反向抵消电路中的差模传导电磁干扰，补偿电感的感值l
comp
、辅助电源的电压v
aux
、boost变换器功率电感的感值l以及变换器输出电压vo之间应满足条件：
[0018][0019]
所述补偿电容c
comp
用于将功率回路与补偿电路隔离，稳定状态下，补偿电容c
comp
两端电压为：
[0020]vccomp
＝v
aux
(1-d)+v
in
[0021]
其中，d为boost变换器稳态下的占空比，v
in
为boost变换器输入母线电压，补偿电容c
comp
的耐压应高于上述值，并留有足够的裕量。
[0022]
所述补偿电容c
comp
与补偿电感l
comp
构成的注入支路用于注入补偿电流，反向抵消电路中的差模传导电磁干扰，稳态时，流经注入支路的补偿电流峰值与boost变换器功率电感的纹波电流峰值大小相同：
[0023][0024]
其中，fs为boost变换器的开关频率，d为其稳态时的占空比，v
in
为其输入母线电压，boost变换器工作于ccm模式时，电感电流纹波很小，则补偿电路的补偿电流峰值很小，补偿电容与补偿电感均可选择封装较小的表贴式器件；boost变换器工作于dcm模式或crm模式时，电感电流纹波较大，补偿电容与补偿电感需选择通流较大的器件或选择多个表贴
式器件并联。
[0025]
本发明可应用于boost变换器。通过构建与噪声源v
ds
的波形形状相同，幅值成比例的补偿电压v
comp
及阻抗匹配的注入支路，反向抵消变换器内部的差模传导电磁干扰。本发明可在150khz-2mhz的频率范围内提供一定的幅值衰减，最大可达20db。应用于连续电流模式的boost变换器时，所用的器件均为小电流器件，体积极小，成本低，可用于替代传统的差模滤波器。
附图说明
[0026]
图1是本发明所述的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路的结构示意图及其应用于boost电路时的连接示意图。
[0027]
图2是本发明所述的差模传导电磁干扰抑制电路应用于boost电路时的差模等效电路图。
[0028]
图3是本发明所述的差模传导电磁干扰抑制电路应用于boost电路时，pwm信号、boost变换器内部噪声源v
ds
、构建的补偿电压v
comp
及注入的补偿电流i
comp
的波形图。
[0029]
图4是本发明所述的差模传导电磁干扰抑制电路应用于boost电路前后的差模传导电磁干扰频谱对比图。
具体实施方式
[0030]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
[0031]
本发明基于boost变换器功率mos管q的漏源电压v
ds
是变换器内部差模传导电磁干扰的噪声源的认识，通过一个由变换器功率mos管q的同步pwm信号与隔离半桥驱动ic驱动的半桥，在其中点构造一个与v
ds
波形形状相同，幅值成比例的补偿电压源v
comp
，并通过半桥电路与boost输入母线的连接，使其极性与v
ds
相反。通过补偿电容c
comp
与补偿电感l
comp
串联组成的注入支路注入补偿电流，反向抵消v
ds
引起的差模传导电磁干扰。
[0032]
图1示出了所提出的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路的结构示意图及其应用于boost电路时的连接示意图。该电路结构包括一个隔离半桥驱动ic，两个低压nmos管q1和q2，一个隔离辅助电源v
aux
，一个补偿电容c
comp
以及一个补偿电感l
comp
。lisn电路为通用线性阻抗稳定网络，其中，r
lisn
＝50ω，l
lisn
＝50μh，c1＝0.1μf，c2＝1μf。所述电路的详细连接关系表述如下：
[0033]
所述低压nmos管q1的源极与boost变换器输入正母线相连，栅极与隔离半桥驱动ic的下管驱动信号输出端相连，漏极与低压nmos管q2的源极相连；
[0034]
所述低压nmos管q2的源极与低压nmos管q1的漏极相连，栅极与隔离半桥驱动ic的上管驱动信号输出端相连，漏极与辅助电源v
aux
的电压输出端相连；
[0035]
所述隔离半桥驱动ic的pwm信号输入端与boost变换器功率mos管q的pwm信号输入端相连，驱动侧下管供电与辅助电源v
aux
的电压输出端相连，驱动侧下管参考地与boost变化器输入正母线相连，驱动侧上管供电由自举电路产生；
[0036]
所述辅助电源v
aux
的电压输出端与低压nmos管q2的漏极相连，参考地与boost变换器的输入正母线相连；
[0037]
所述补偿电感l
comp
一端与半桥中点，即低压nmos管q1的漏极和低压nmos管q2的源极相连，另一端与补偿电容c
comp
相连；
[0038]
所述补偿电容c
comp
一端与补偿电感l
comp
相连，另一端与boost变换器输入负母线相连；
[0039]
图2示出了所提出的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路应用于boost电路时的差模等效电路图。利用戴维宁等效定理可将补偿电压v
comp
与boost变换器内部噪声源v
ds
等效为一个电压源v
eq
，boost功率电感l与补偿电感l
comp
可等效为一个电感l
eq
，相应的表达式为：
[0040][0041]
所提出的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路需满足以下两个条件才能反向抵消boost变换器中的差模传导电磁干扰。
[0042]
第一，补偿电容c
comp
与补偿电感l
comp
串联形成的注入支路的谐振频率应低于传导emi频率范围的下限(150khz)，即：
[0043][0044]
第二，为实现补偿信号与boost变换器内部噪声信号的反向抵消，补偿电感的感值l
comp
、辅助电源的电压值v
aux
、boost变换器的电感感值l及其输出电压vo之间应该满足条件：
[0045][0046]
此时，在传导电磁干扰的测试频率范围内，补偿电感l
comp
的阻抗占据注入支路的主导地位。稳态时，补偿电容两端电压平均值为：
[0047]vccomp
＝v
aux
(1-d)+v
in
[0048]
式中，d为boost变换器稳态时的占空比，v
in
为boost变换器的输入母线电压。流经注入支路的补偿电流的峰值为：
[0049][0050]
当补偿电感l
comp
与功率电感l、辅助电源v
aux
与boost变换器输出电压vo满足匹配关系时，流经注入支路的补偿电流的峰值为：
[0051][0052]
补偿电流的峰值与boost变换器稳态时功率电感的纹波电流峰值大小相同。
[0053]
图3示出了所提出的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路应用于boost变换器
时，其功率mos的pwm信号、内部噪声源v
ds
、构建的补偿电压v
comp
以及注入的补偿电流i
comp
的波形图。仿真的boost变换器工作于ccm模式，输入电压为15v，输出电压为30v，输出功率为120w，boost功率电感的感值为100μh。提出的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路使用的辅助电源v
aux
为15v，补偿电感l
comp
的感值为50μh。构建的补偿电压v
comp
与boost变换器内部的噪声源v
ds
波形形状相同，幅值成比例。
[0054]
图4示出了在simulink中仿真得到的，所提出的数字同步式差模传导电磁干扰抑制电路应用于boost变换器前后的差模传导电磁干扰频谱对比。图4.(a)为开关频率为100khz时的差模传导电磁干扰频谱对比，图4.(b)为开关频率为200khz时的差模传导电磁干扰频谱对比。两图中，颜色最深的线为未接入差模传导电磁干扰抑制电路时，boost变换器的差模传导电磁干扰频谱；颜色最浅的线为接入差模传导电磁干扰抑制电路，但辅助电源未供电时boost变换器的差模传导电磁干扰频谱；颜色深度介于两者之间的线为接入差模传导电磁干扰抑制电路并使其正常工作时boost变换器的差模传导电磁干扰频谱。接入差模传导电磁干扰抑制电路但未供电时的差模传导电磁干扰频谱与未接入时的频谱相差无几，说明提出的差模传导电磁干扰抑制电路中的无源器件——补偿电容与补偿电感并没有明显的差模抑制作用；接入差模传导电磁干扰抑制电路并使其正常工作时的差模传导电磁干扰频谱相较于未接入时的频谱，在5mhz以下的低频段有明显的抑制效果，最大有超过20db的幅值衰减，证明了所提出的差模传导电磁干扰抑制电路的有效性。