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整流滤波电路的设计方法

2023-06-25 理论教育 版权反馈
【摘要】：进行低通滤波设计时，应注意电磁兼容性。图1-35c是整流电流的波形。

1.3.3.1 低通滤波电路设计计算

低通滤波电路是由电容电感所组成的，它结构简单、成本低廉，但它的作用对抑制传导干扰是有效的，理论上电路设计是复杂繁琐的，技术指标有十几个，计算公式也非常冗长。

进行低通滤波设计时，应注意电磁兼容性。所有的电子设备都在不同程度上存在有EMI，也要求具有良好的EMC。根据麦克斯韦理论，任何传导，如果有电流在导体上流动，那么这个导体的空间就会产生变化着的磁场，磁场作用范围的大小，取决于变化着的频率和产生电磁的电能的大小，它将决定磁场辐射的强度和发射电磁的空间，这就是电磁干扰。而EMC是什么？在有限的空间、时间和频率范围内，各种电气设备共存而不引起设备性能下降，这就是电磁兼容性。一台良好的EMC电气设备，应该不受周围电磁噪声的影响，也不对周围环境产生干扰。

低通滤波器的参数有很多，主要影响参数如下。

1.低通滤波频率的低频段fL和高频段fH的计算

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式中，Cin为低通滤波器的电容，以图1-13b的电路为例：

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式中，Vin是变量，有三种电压输入方式：固定输入：110/115V；通用输入：85～265V；随机输入：230V±35V。η为滤波整流效率，978-7-111-49915-2-Chapter01-93.jpg式中，DC为当输出电压为最佳值时的调制占空比，一般取0.41；PD为低通滤波后的整流输出有效功率；VF为整流二极管的正向压降；K为输出直流电压与输入交流脉动电压比值。

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式中，LS是感通量，以图1-13b为例，LS=L1+L2。

fL和fH是滤波器低端和高端振荡频率谱，输入阻抗Rin是随着频率上升而增大的，它处在低端抑制电源本身，通过网线的传导干扰，它对EMC起很大作用。fH是高端频率谱，感通量越低，振荡的频率越高，对抑制空中的辐射电磁波的能力越大，但过大的LS不利于EMC。

2.低通滤波输入电抗的计算

电抗是阻抗、感抗和容抗的矢量和，它跟随频率变化。当感抗等于容抗时，就产生谐振；当感抗大于容抗时，负载称为感性负载，反之为容性负载，两种负载对电路计算和处理的方式是不同的。输入阻抗在一定频率下，所呈现电阻是不变的，但在频率改变时，它将沿着指数曲线变化，它对电路损耗也有影响。

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式中，ZC是交流电抗，R是交流阻抗，2πfL和1/（2πfC）是感抗和容抗。电抗ZC的大小，直接影响电源的效率，三参量搭配是否合理对抑制EMI的产生、保证射频传输干扰指标达到要求产生很大影响。

3.插入损耗的计算

所谓插入损耗是指把EMI滤波器加进输入电路与桥式整流回路之间，负载噪声电压的变化对数比，它以电平分量分贝表示，分贝值越大，抑制噪声干扰的能力越强，EMC参量高。插入损耗Adb计算公式是

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式中，V1、V2分别为滤波器插入前和插入后的噪声电压。插入损耗越大，低通滤波效果越好。

理论上计算损耗是很繁琐且复杂的工作，因为插入损耗是滤波器振荡频率的函数，只有通过实验室的实际测量，将测量的结果绘制成曲线得到结果。

4.低通滤波器漏电流的计算

开关电源的漏电流是有明确限制要求的，一般漏电流来自电解电容和功率开关管，还有高频变压器的漏感所形成的漏电流，漏电流对人体安全是有害的。开关电源要求漏电流小于0.5mA。

ILD=2πfCinVC

式中，f是供电电网频率（Hz）；Cin是低通滤波电路所有电路上的电容量（pF）；VC是电容Cin对大地的压降（mV）。

1.3.3.2 输入整流滤波电路设计计算

开关电源的AC/DC转换是将交流电经桥式整流、电容滤波，称之为一次整流滤波。电源的控制电路、脉宽调制电路、功率因数校正电路都是在直流电的条件下工作的。

电网来的交流电压经全波整流变为脉动直流电压ui，再经过电容滤波得到较为平直的直流电压Vi，如图1-35a所示，978-7-111-49915-2-Chapter01-97.jpg。交流电网的电压u，经全波整流，直流输出电压的0.9倍，即Vo=0.9u；直流输出电流Io=0.9u/（R+Z）；二极管承受最大反向电压978-7-111-49915-2-Chapter01-98.jpg。

例如，有一电网输入交流电压85～265V，输出功率Po=60W，求：1）输入有效电流；2）输入平均电流；3）计算输出纹波电压；4）计算充电电流；5）计算滤波输出的负载电流；6）计算电容寿命；7）计算整流二极管的峰值电流和开关管的峰值电压。设开关电源的工作频率为50Hz，效率为85%。输入最低直流电压978-7-111-49915-2-Chapter01-99.jpg。输入最高直流电压978-7-111-49915-2-Chapter01-100.jpg。

电路输入功率Pi=Po/η=60W/0.85=70.6W。

计算转换电能占空比：Dmax=VOR/（Vmin+VOR-VDS（on）），Dmin=Vmin/（Vmin+VOR-VDS（on））。式中，Vmin、VOR分别是输入直流电压在变压器一次绕组的最低和最高感应电压，VDS（on）是开关管的导通电压，分别取90V、135V和10V代入上式：

Dmax=135/（90+135-10）=0.628

Dmin=90/（90+135-10）=0.419Dave=（Dmax+Dmin）/2=（0.628+0.419）/2=0.524

1）计算输入有效电流Ias=Pi/Vi（min）=70.6W/120.2V=0.59A。

2）计算输入平均电流Idc=IasDave=0.59A×0.524=0.31A。

3）计算整流滤波电容C的容量

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式中，f为输入交流电压频率，50Hz；tc是整流二极的导通时间，通常整流桥的导通角为180°，但由于滤波电容C的作用对电路有充电和放电，二极管的导通角只能是36°～90°，也是电容充电时间。从图1-35b可见，oa为半个周期的一半，oa=5ms，那么ob是多少呢？

90∶5=36∶ob，即ob=36×5ms/90=2ms，则ab=5ms-2ms=3ms。

图1-35c是整流电流的波形。

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4）计算电容负载电阻RLC=Vi（min）/Idc=120.2V/0.31A=387.7Ω。

设低通滤波的电抗ZC=10Ω，则滤波器的电阻与电容负载的阻抗比值为ZC/RLC=10/387.7≈0.026。

5）计算电容滤波的纹波电压Vcr=4Iasto×10-3/（2πC×10-6）=4×0.59×3×10-3/（2×3.14×68×10-6）V=7.08×10-3/427.04×10-6V=16.6V。

6）计算电路对电容充电电流Iaca。桥式整流电路每半周3ms时间对滤波电容充电（7ms为放电时间），其充电电流Iaca=tcIacp/（T/2）。根据阻抗比值0.026，由图1-36查到Iac/Idc=1.2，则Iac=1.2Idc=1.2×0.31A=0.37A。

又由图1-37查出Iacp/Iac=3.6，则低通交流输入的峰值电流Iacp=3.6×0.31A=1.12A。所以充电电流Iaca=3×10-3×1.12/10×10-3A=0.336A。

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图1-35 整流滤波电路及输出波形

7）计算滤波电路的负载电流IrL。由输入有效电流Ias减去充电电流的矢量差为滤波的负载电流，978-7-111-49915-2-Chapter01-104.jpg。

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图1-36 交流输入电流有效值与输出平均电流之间的关系

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图1-37 交流输入电流峰值与输出平均电流之间的关系

8）计算电容寿命。若变换器确定的最高温度为60℃，机内温升为15℃，电容器工作环境温度为75℃。环境温度为75℃时，补偿系数K为1.32，50℃时允许纹波电流为0.33A，则

Ir75=1.32Ir50=1.32×0.33A=0.436A

当环境温度为50℃时，内部温升为

ΔT65=ΔT75K2=4.25×1.322℃≈7.4℃

当环境温度为75℃时，电流为0.26A，内部温升为

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电容器的寿命LV为

LV=L0×2（75-65）/10×4（5-4.6）/10=2500×21×40.04H≈5285H式中，L0为电容的保证寿命，可由生产商的产品目录查得。电容所承受的电压是最大输入电压的978-7-111-49915-2-Chapter01-108.jpg倍，实例中为978-7-111-49915-2-Chapter01-109.jpg。所以电容选用容量为68μF、耐压为400V、温度为105℃的电解电容，在环境温度为75℃时，承受最高电流为1.12A。

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