一种数字有源滤波器

1.本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种数字有源滤波器。


背景技术：

2.随着现代社会的发展，直流变换器的应用越来越多，并且每年都在不断朝着体积更小、功率更大的方向发展，直流变换器中开关器件的开关频率越来越高，由于高频的du/dt以及寄生电容的存在会为高频信号提供阻抗较小的回路，这些高频的电流信号会对直流变换器系统产生严重的电磁干扰(emi)。例如，高频共模电流形成高频的电磁辐射导致周围设备以及系统自身的闭合回路中产生一定的感应电流，同时生成的噪声电流还会污染电网。因此，为满足直流变换器能正常工作，必须对电直流变换器中的噪声电流进行抑制。同时随着数字处理技术的发展，使用数字电路实现噪声电流的抑制成为可能，是当前研究的热点。
3.功率开关器件的高额开关动作是导致开关电源产生电磁干扰(emi)的主要原因。开关频率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面也导致了更为严重的emi问题。开关电源作时，其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的，因此，开关电源本身是一个噪声发生源。一般可控整流与逆变器引入的谐波信号的频率在数量级都在几十khz到几百khz左右共模电流的主要频段为150k-30mhz，我们主要对该频段进行抑制。
4.目前，常用的数字有源滤波器方法如图1所示，在直流电源和直流转直流电源中，加入了lisn和数字有源滤波器。lisn(line impedance stabilization network)，即线路阻抗稳定网络，是电力系统中电磁兼容测试中的一项重要辅助设备，可以隔离电网干扰，提供稳定的测试阻抗，并起到滤波的作用。数字有源滤波器电路拓扑包括四部分：检测电路、控制板、注入电路和解耦电路构成。在电路回路的l线线上选取一个点作为emi噪声检测点，检测电路实际上是一个高通滤波器，用于采集emi噪声电压信号。然后控制板上的ad转换器将模拟噪声信号处理为数字信号，并对信号进行反相并放大，目的是为了能够抵消电路中的噪声信号。控制板的da转换器还将处理过后的数字信号变为模拟信号。注入电路实际上是一个低通滤波器，将控制板输出的信号注入了电路回路，实现电路回路中的emi噪声的抑制。最后在检测点和注入点之间还包括了解耦电路，降低高频感应点与注入点之间的耦合以改善过滤性能。目前数字有源滤波器的共模电流抑制能力与数字控制算法有很大关系。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种数字有源滤波器，用于解决直流变换器中的emi噪声的抑制，降低对其周围设备的影响，同时维持稳定地直流输出。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种数字有源滤波器，用于直流变换器系统，直流变换器系统包括直流电源和直流转直流电源，所述数字有源滤波器连接在直流电源和直流转直流电源之间的电路回路上，所述数字有源滤波器包括emi电压检测电路、adc、数字滤波器控制器、dac、反馈电压注
入电路和解耦电路；所述emi电压检测电路连接在电路回路上靠近直流电源一端，emi电压检测电路的输出连接adc的输入，adc的输出连接数字滤波器控制器的输入，数字滤波器控制器的输出通过反馈电压注入电路连接到电路回路，其中解耦电路位于电路回路上，并位于emi电压检测电路与电路回路的连接点和反馈电压注入电路与电路回路的连接点之间；
8.所述数字滤波器控制器采样重复控制算法来处理噪声，重复控制算法的传递函数为：
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其中，l为信号周期，s为拉普卡斯算子。
[0011]
进一步的，所述emi电压检测电路为由第一电容和第一电阻串联组成的高通滤波器，第一电容的一端连接电路回路p线上的一点作为emi噪声检测点，第一电容和第一电阻的连接点为emi电压检测电路的输出端连接adc。
[0012]
进一步的，所述反馈电压注入电路为由第二电容和第二电阻串联组成的低通滤波器，dac的输出依次通过第二电阻和第二电容连接到电路回路的p线。
[0013]
进一步的，所述高通滤波器的截止频率为令第一电阻r1＝880ω，第一电容c1＝1nf，从而实现采样150khz以上的噪声频率；所述低通滤波器的截止频率为通过设置第二电阻r2和第二电容c2使得f2在30mhz上，从而实现电路处理150khz-30mhz频段噪声的目的，最终实现电路回路中的emi噪声的抑制。
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进一步的，所述解耦电路为电感。
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本发明的有益效果是：
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与传统的emi抑制方案相比，本发明增加了一个有源回路来处理噪声，将重复控制算法应用于emi噪声的控制之中，使得整个系统的emi噪声减少，而传统的共模电流抑制方案相当于是在原来的共模电流回路上并联了一个较小的阻抗回路，实际上会增大整个系统中的共模电流，可能使得系统中的电磁干扰情况变得更加明显。
附图说明
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图1为常见数字有源滤波器的拓扑框图。
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图2为本发明emi抑制电路结构框图。
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图3为反馈控制的框图。
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图4为重复控制原理图。
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图5为重复控制算法bode图。
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图6 psim仿真原理图。
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图7加滤波器之前的emi采样电压。
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图8加滤波器之后的emi采样电压。
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图9加入滤波器与没加入滤波器的emi采样电压频谱对比。
具体实施方式
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下面结合附图对本发明进行详细的描述。
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本发明的有源滤波器的设计如图2所示，电路拓扑包括六部分：emi电压检测电路、adc采样电路、fpga数字处部分、dac输出电路、反馈电压注入电路和解耦电路构成。在电路回路的p线上选取一个点作为emi噪声检测点，采样电路实际上是由一个rc组成的一个高通滤波器，其截止频率为取r1＝880ω，c1＝1nf,这样就可以采样150khz以上的噪声频率用于后续处理。rc电路采集到的emi噪声传到后面的adc处理，并通过ad转换器将模拟噪声信号处理为数字信号，随后基于fpga的数字处理电路对信号进行处理，本发明创造性使用基于重复控制的算法，来处理噪声，重复控制的传递函数为其bode图如图5所示，此算法可以在特定的频率点上加上很大的增益。此发明的滤波器的拓扑结构属于反馈型，根据反馈原理，增益越大，那么滤波器效果越好，所以此发明所使用的的重复控制的算法，可以很好的抑制梳状噪声。在fpga处理ad的数字信号后，da转换器将处理过后的数字信号变为模拟信号，此模拟信号将通过一个由rc组成的低通滤波器，将信号注入了电路回路，其截止频率为将f2设置在30mhz上，这样实现整个电路处理的是150khz-30mhz这个频段噪声的目的，最终实现电路回路中的emi噪声的抑制。最后在检测点和注入点之间还包括了解耦电路，解耦电路一般由一个电感组成，可以降低高频感应点与注入点之间的耦合以改善过滤性能。
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本发明的原理为，如图3所示的反馈控制的拓扑结构，可以推出由此式可以看出，g越大，i
l
越小。i
l
为负载上的噪声电流，in为原始噪声，g为反馈增益，所以g越大抑制效果越好。由图9知，emi的频谱是梳状的，所以只要在这些尖峰出的频率点给出很大的增益，则可以很好的抑制噪声。由内膜控制原理知，在控制系统中加入被控制对象的数学模型，就可以很好的处理控制对象，为此，重复控制加入各个谐波的数学模型，如图4所示。由图4可以推出其中a0....an为每个谐波上的增益，s为拉普拉斯算子，ω为谐波频率，将其拆分化简可以推出由此传递函数的bode图5，可以发现，此算法可以有效的给每个谐波点很大的增益，在此算法的基础上加上adc，dac就可以组成一个反馈型的滤波器抑制emi噪声。
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实施方案如图6所示，整体的电路是一个24v转45v的直流变换器，在直流变换器的直流源和开关器件之间，加入了数字有源滤波器电路，用于抑制emi噪声。数字有源滤波器电路先采样emi噪声，然后通过psim电力电子仿真软件的dll模块，使用c语言实现重复控制算法来处理数字信号，最后将输出信号反馈注入到电路回路上。
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仿真中仿真时长为1ms，仿真步长为1ns。采样电路电容值为0.14uf，电阻为1000欧
姆。反馈注入电路电容值为1uf，电阻为5豪欧姆。控制板的采样率为100mhz。
[0031]
无抑制时的emi采样电压时域波形如图7中所示，emi电压峰峰值为11v以上。加入滤波器后，emi采样电压时域波形如图8所示，emi电压在趋于0v并上下起伏，峰峰值为1v以内，emi电压被很好地抑制。
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加入抑制前后的emi采样电压频谱如图9中所示，实线曲线为无抑制的emi电压频谱。加上本方案的抑制措施后，emi电压频谱如虚线曲线所示，可以看到，emi电压中频被抑制40db以上，高频抑制效果一般，整体的emi抑制效果较好。