电子产品为实现小型、轻便和低功耗,现已普遍采用开关电源。但是,由于开关电源电路造成城市电网高次谐波污染,易导致交流市电供电设施烧毁,为此,世界各国都按照IEC-61000-3-2规格,对开关电源的高次谐波污染严加限制。在21世纪国际市场上流通的开关电源产品,必须符合IEC-61000-3-2规格要求。
在开发抑制高次谐波的开关电源过程中,普遍遇到的棘手问题,即产生出新的干扰,致使噪音对策复杂化。本文介绍一种复合线路滤波器(Line Filter),它能消除开关电源高次谐波对策中出现的共态噪声(Common Mode Noise)和常规模式噪音(Normal Mode Noise),特别是能充分发挥开关电源高次谐波对策(有源滤波方式)的威力。
一、新问题及其对策
为解决开关电源对市电网的高次谐波污染问题,电子产品制造厂商开发出很多开关电源的输入电路,可归纳为如下的两类:(1)扼流圈输入(Choke Input)电路是电源(Passive)对策方式;(2)有源滤波器电路是属于有源(Active)对策方式。这两种电路分别如图1(a)和图1( b)所示;其中,图1(a)所示的扼流圈输入电路,由于扼流圈体积庞大而且笨重,应用上有很大局限性;图1(b)所示的有源滤波器电路的优点是抑制高次谐波十分有效,而且便于实现小型化和轻便比,很遣憾的是也有美中不足 。
1.新问题
有源滤波器电路在解决高次谐波方面值得称道,但它导致产生新的干扰问题:(1)共态噪声—它是在信号线与地线之间产生干扰,由于在信号线间这种噪声的相位和振幅都是共同的,故叫作共态噪声;(2)常规模式噪声—它是在线与线之间产生的干扰,故亦称线间噪声,不平衡噪声或差动噪声等。共态噪声和常规模式噪声的传播通路分别如图2(a)和图2(b)所示,在开关电源高次谐波对策电路里,这两种噪声都很大,必须采取新的抑制措施。
2.噪声滤波器电路
鉴于防止高次谐波的开关电源常用有源滤波器方式,以下主要介绍该方式里出现的噪声应如何采取相应的对策。但是,各个厂家为了使其产品符合限制噪声电平的要求,往往采取各种各样的噪声对策。本文因篇幅所限,不能一一介绍。以下,仅就标准的噪声滤波电路,作简单说明。
一般AC电源的噪声滤波器电路,如图3(a)所示。其中,Lc是消除低频带共态噪声的线路滤波器(共态扼流圈),通常共态电感中约有1%左右的常规模式电感成份,多少也有点消减常规模式噪声的作用。图3(a)中的Cx是担负消减低频带常规模式噪声的跨线电容器(Across the Line Condenser)(简称x电容器),Cy是消除高频带共态噪声的线路旁路电容器(简称y电容器);由于它们是配置在信号线与地线之间,对于削减常规模式噪声也多少有些贡献。实际上,这种线路滤波器里也包含有常规模式 电感成份,确切地表示时请参阅图3(b)所示的等效电路。
克服开关电源高次谐波问题,有源滤波器方式的开关电源电路是很实用的。但是, 它带来的常规模式噪声成份也确实不少。当这种噪声衰减不够充分时,不得不附加上常规模式扼流圈,详见图3(c)所示。一波未平,一波又起。一旦又附加上常规模式扼流圈,使滤波器电路里的电子元器件个数增加,焊点加多,体积膨胀,都成为急待解决的新课题。此外,也有要在线路滤波器上追加x电容器的情况,这时随之而来的是成本、重量和面积等都相应增加。
二、复合线路滤波器
为了解决上述的新课题,日本松下电器采取复合线路滤波器设计、制造方法,获得满意的结果。它是以已有的线路滤波器(共态扼流圈线圈)为基础,扩充有常规模式扼流圈线圈,形成复合滤波器可以削减电子元件连接点数和节省空间。
1.基本结构
通过在以往的线路滤波器的绕线骨架里嵌入磁性元件,设计出兼备形成标准模式电感的磁路。在考虑铁芯磁饱和条件下,对共态电感和标准模式电感进行综合平衡设计。松下电器公司成功地设计、制造出线路滤波器带有两个常规模式扼流圈的一体化复合线路滤波器新产品,堪称是功能综合,结构紧凑,小型轻便。
2.新产品规范及其特点
松下电器公司开发的25C型复合线路滤波器的系列规范如表1所示。用户可根据自身的机器产品开发需求,从25C型复合线路滤波器系列产品中自由选购。
25C型复合线路滤波器系列产品是在充分仔细分析 标准滤波器原理的基础上,合理地吸收以往的线路滤波器生产经验进行开发的新产品。其主要特点如下:(1)一体化的滤波器,结构小巧,节约安装空间;(2)磁路设计巧妙和线圈绕制上下工夫,促使该滤波器具备很大的电感量;(3)允许通过大电流,非常适合于作为开关电源的滤波器;(4)漏磁通量很小。
关于磁漏问题,值得提及是因为复合线路滤波器里灵活地利用漏电感的关系,线圈周围的漏磁有所增加。人们不禁要问,这难道不影响图像机器的画质量吗?实测表明,单纯同以往的线路滤波器相比,确实漏磁稍大一些,但是,在复合线路滤波器里,采用一体型“日”字型铁芯,由于漏磁产生的影响远比想像的低的多,不足为虑。
3.应用实例
在有源滤波器方式的开关电源里,曾用复合线路滤波器、1个线路滤波器附加有2个常规模式扼流圈和单纯1个线路滤波器,进行消除噪声的应用实验。结果表明,复合线路滤波器和由1个线路滤器附加2个常规模式扼流圈的组合应用效果是等同的,能很好地消除共态噪声和常规模式噪声。单纯1个线路滤波器的情况,滤波效果不佳,特点是不能清除150400KHz的低频噪声。
复合线路滤波器在保证滤波性能的前提下,可以削减重量和安装空间。综上所述, 复合线路滤波器确实有独到的优点,为防止高次谐波的开关电源扫清了噪声的影响。作为开关电源里用于滤掉共态噪声和常规模式噪声的复合线路滤波器,将在很多电子机器(照明电子机器、模拟和数字化AV机器以及信息处理机器)里获得广泛应用。
三、小结
复合线路滤波器虽然不是什么大发明,但是它是综合利用电子元件的一种创造。它能有效地抑制由于开关电源防止高次谐波而产生的干扰,无疑对我国开发面向21世纪开关电源,不无参考价值。
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