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通信用DCDC变换器EMI滤波器的研究及设计.rar

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    编号:20180914220237225    类型:共享资源    大小:2.15MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    通信 DCDC 变换器 EMI 滤波器 研究 设计
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    学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗,在 10 年解密后适用本授权书2、不保密囗。(请在以上相应方框内打“√” )作者签名:年 月 日导师签名:年 月 日毕业设计(论文)任务书学生姓名 胡昌龙 专业班级 自动化 0602 班 指导老师 全书海 黄 亮 工作单位 自动化学院 设计(论文)题目: 通信用 DC/DC 变换器 EMI 滤波器的研究及设计 设计(论文)主要内容: 归纳通信用 DC/DC 变换器的要求,如电话衡重杂音、峰峰值杂音、宽频杂音、离散杂音输出纹波、THD、绝缘强度等参数要求及影响因素,设计变换器的输入滤波器和输出滤波器,确定系统控制方案,完成电路设计,建立数学模型并进行仿真分析。要求完成的主要任务:(1)熟悉通信用 DC/DC 变换器的工作原理及滤波要求,DC/DC 变换器输入26~72V,输出 48V,功率 5KW;(2)设计输入滤波器和输出滤波器,使得电话衡重杂音电压值≦2mv ,峰- 峰值杂音电压值≦100mv,离散杂音电压值≦5mv,宽频杂音电压值≦20mv;(3)熟悉 MATLAB 原理及编程方法,完成 MATLAB 仿真分析;(4)完成电路设计与调试;(5)撰写毕业设计论文,字数 15000 左右;(6)翻译外文文献 20000 字符。参考资料[1] 张厚.电磁兼容原理 .西北工业大学出版社,2009,4.[2] 强生泽,杨贵恒,李龙,钱希森.现代通信电源系统原理与设计.北京:中国电力出版社,2009.[3] 郝晓冬,乔恩明 .电源系统电磁兼容设计与应用.中国电力出版社,2007.[4] 黄小军,黄济青编著 .通信用高频开关电源.北京:机械工业出版社,2004.[5] 李爱文.现代通信基础开关电源的原理和设计.北京:科学出版社,2001,7.指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 武汉理工大学本科学生毕业设计(论文)开题报告1、设计目的及意义(含国内外的研究现状分析)通信电源是构成各种通信手段必不可少的组成部分,对确保通信质量具有十分重要的影响。随着通信技术的快速发展和通信设备的不断更新,现代通信网络对电源系统供电质量的要求越来越高。而要通信电源产品能达到高效率、高功率密度等要求,这就要求通信电源设备对电能变换的高频化。在新型功率器件不断涌现和“软开关”技术迅猛发展的背景下,高频开关电源在通信设备中得到了广泛的使用,DC/DC 变换器是高频开关电源中的一个重要组成部分,该单元由高频功率开关与变压器、高频整流器组成,将直流变换成高频交流,经变压器隔离、降压整流变成直流,其控制由脉冲宽度调制专用集成控制器担任。国外用于通信设备的机架电源的 DC/DC 变换器其变换频率一般在 500KHz 以下,更高频率的 DC/DC 变换器尚处于实验阶段。由于频率高,势必产生很强的 EMI,继而影响到通信质量,这就需要在这方面研究以解决该问题。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格,产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备间的相互干扰,营造良好的电磁工作环境,世界各国都制定了各自的电磁兼容标准,以利于设备相互间的工作协调,如国际电工委员会的 IEC61000 及 CISPR 系列标准、欧共体的EN 系列标准、美国联邦通信委员会的 FCC 系列标准、北美标准等等,未达到电磁兼容标准的产品不准进入市场。因此,对通信用 DC/DC 变换器 EMI 滤波器的研究是很有必要的。一般来说,电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility ,EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。具体包括以下两方面的含义:(l)电子设备或系统内部(包括部件和子系统)在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中,能按原设计要求正常运行。(2)设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平,电磁干扰不对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)的构成有三个要素:干扰源、噪声的藕合路径及被干扰设备。因此,电磁兼容要解决的主要问题是:削弱干扰源的能量,隔离或减弱噪声祸合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰能量主要通过辐射性祸合和传导性祸合进行传输。屏蔽、滤波和接地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空间的辐射发射途径,滤波用于切断通过导线的传导发射途径,而接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。本文从电磁兼容的角度出发,旨在通过设计输入滤波器和输出滤波器来使开关电源达到电磁兼容标准。通过分析通信用 DC/DC 变换器的入网标准及其电磁干扰信号特点,提出了滤波器性能指标,然后根据这些指标来设计变换器的输入滤波器和输出滤波器,并建立数学模型,用 MATLAB 进行仿真分析。2、基本内容和技术方案基本内容:归纳通信用 DC/DC 变换器的要求,如电话衡重杂音、峰峰值杂音、宽频杂音、离散杂音输出纹波、THD、绝缘强度等参数要求及影响因素,设计变换器的输入滤波器和输出滤波器,并建立数学模型进行仿真分析。技术方案:(1) 熟悉通信用 DC/DC 变换器的工作原理及其滤波要求,分析电磁干扰的产生及其影响,探讨研究设计的意义;(2) 根据通信用 DC/DC 变换器的入网标准来设计输入滤波器和输出滤波器,通过分析选择滤波器基本结构;考虑电源滤波器为达到最佳消除噪声的能力,不光要依靠滤波器电路的滤波功能,而且还要依靠电路阻抗不匹配原理(阻抗不匹配就会产生反射,这样就能反射噪声,使之不能通过滤波器,进而达到最佳滤波效果)。而且商用产品为了覆盖大多数的应用范围,故采用比较保险的 π 型滤波结构;(3) 详细设计整个 EMI 电源滤波器的结构,并进行滤波电感、电容的计算与型号选择;(4) 熟悉 MATLAB 原理及编程方法,建立滤波器的高频等效电路模型并用 MATLAB 进行仿真分析,修正滤波器元器件参数。3、进度安排第 1~2 周: 毕业实习,撰写毕业实习报告;第 3~4 周: 翻译外文资料,初步确定方案,完成开题报告;第 5 周: 确定最终方案,并进行可行性分析;第 6~8 周: 硬件设计及程序代码编制;第 9 周: 中期检查;第 10~11 周: 综合调试,根据结果完善系统;第 12~14 周: 完成论文撰写;第 15 周: 论文答辩;第 16 周: 论文装订。报告人签字: 年 月 日4、指导教师意见胡昌龙同学调研比较充分,研究内容充实,技术方案明确可行,现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标,同意进入设计阶段。指导教师签名: 年 月 日目录摘要 ..........................................................................IAbstract.....................................................................II1 绪论 ........................................................................11.1 研究背景及意义 ........................................................11.2 国内外研究现状 ........................................................21.3 主要研究内容 ..........................................................32 通信电源原理及行业标准分析 ..................................................42.1 降压式 Buck 变换器的工作原理 ...........................................42.2 通信用 DC/DC 变换器指标及其测量 ........................................53 EMI 滤波器的设计 ............................................................93.1 EMI 滤波器设计步骤 ....................................................93.2 滤波电路的选择 ........................................................93.2.1 阻抗失配原则 ....................................................93.2.2 电路结构选择 ....................................................93.3 输入滤波器设计 .......................................................113.3.1 共模干扰滤波器设计 .............................................113.3.2 差模干扰滤波器设计 .............................................123.3.3 输入滤波器滤波电路 .............................................133.4 输出滤波器设计 .......................................................133.5 滤波器元件的选取 .....................................................153.5.1 滤波电感的选取 .................................................153.5.2 滤波电容的选取 .................................................193.6 EMI 滤波器的正确安装 .................................................214 滤波器的 MATLAB 仿真分析 ....................................................224.1 滤波器模型的建立 .....................................................224.2 未加滤波器的电路仿真分析 .............................................234.3 添加滤波器的电路仿真分析 .............................................24结束语 .......................................................................26致谢 .........................................................................27参考文献 .....................................................................28武汉理工大学毕业设计(论文)I摘要随着开关电源类产品的日益增多,电磁兼容设计成为开关电源开发过程中至关重要的一个环节,相应的电磁兼容标准也成为开关电源类产品必须满足的性能指标。高频开关电源是严重的电磁干扰源,很多情况下需对其安装 EMI 电源滤波器。本文针对通信领域中开关电源的 DC/DC 变换模块研究与设计 EMI 滤波器。本文以通信用 DC/DC 变换器为对象,设计 EMI 电源滤波器。在阐述开关电源电磁干扰基本特点的基础上,提出了利用 型滤波电路结构滤除电路中存在的干扰。文中阐述了EMI 滤波器的基本原理、拓扑结构、设计原则和滤波器件的高频特性,简要介绍了通信用的 DC/DC 变换器的工作原理和指标参数。通过了解开关电源需要满足的电磁兼容标准,测试分析其电磁干扰信号特点,提出滤波器性能指标。通过相关的国家标准和指标参数,计算出滤波器元件的参数值。在确定了滤波器结构和元件参数后,利用 MATLAB 的Simulink 平台进行仿真,观察电路中各个部分产生的干扰和添加滤波器前后电路运行的情况。通过比较,可以证明设计的正确性。关键词:EMI 滤波器;DC/DC 变换器;开关电源;MATLAB武汉理工大学毕业设计(论文)IIAbstractWith expanding switch power product,electromagnetic compatibility (EMC)design has been one of the most important parts during the research and development process of switch power. Corresponding standards of EMC have been required which switch power should satisfy. Switch power of high frequency is serious electromagnetic interference(EMI)source,so EMI source filter usually should be added in switch power. In the dissertation the research and design of EMI filter is limited in DC to DC converter of the switch power in the field of telecommunication.EMI filter is designed on the basis of DC to DC converter. An idea that using the π-shaped circuit to filter the interference in the circuit is proposed based on the analysis of primary character of EMI. Basic theory of EMI source filter,topological structure,principle of design and high frequency performance of filtering components are illustrated and the principle and parameters of DC to DC converter are introduced briefly in this dissertation. By knowing EMC standards that switch power should satisfy, characteristics of EMI signal are tested and analyzed and Performance indexes of filter are presented. The values of the filtering components are calculated based on the national standards. And then ,after constructing the simulation model,this dissertation simulates the circuit on the Simulink platform in MATLAB. By comparing the waves before and after the filter is added into the circuit, the correction of the design can be verified.KEYWORDS: EMI filter; DC to DC converter; switch power; MATLAB武汉理工大学毕业设计(论文)11 绪论1.1 研究背景及意义高频开关电源由于其在体积、重量、功率密度、效率等方面的诸多优点,已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。然而,随着开关电源类数字电路的普及和发展,电气电子设备辐射和泄漏的电磁波严重干扰了其他电气电子设备的正常工作,成为一种无形的污染。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格,产品的电磁兼容性能指标要求越来越高。为了减小电气电子设备间的相互干扰,营造良好的电磁工作环境,世界各国都制定了各自的电磁兼容标准,以利于设备相互间的工作协调,如国际电工委员会的 IEC61000 及 CISPR 系列标准、欧共体的 EN 系列标准、美国联邦通信委员会的 FCC系列标准、北美标准等等。我国现行的 GBfr13926 系列电磁兼容标准主要是参照 CISPR修订的。因此,开关电源电磁兼容问题的研究是十分必要的。在开关电源应用于交流电网的场合,整流电路往往导致输入电流的断续,这除了大大降低输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。同时,开关电源中功率开关管的高速开关动作( 从几十千赫兹到数兆赫兹)形成了 EMI 干扰源,其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生很强的尖峰干扰和谐振干扰。在开关电源中重要存在的干扰形式是传导干扰和进场辐射干扰,传导干扰还会注入电网,这些干扰严重地污染电网,影响领进电子仪器及设备的正常工作。同时由于这一缺点,开关电源无法应用于一些精密的电子仪器中。开关电源产生 EMI 最根本的原因是其在工作过程中产生的高 di/dt 和高 ,它dtv们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复都可以产生这类干扰源。开关电源种的电压、电流波形大多为接近矩形的周期波,比如开关管的驱动波形、MOSFET的漏源波形等。对于矩形波,周期的倒数决定了波形的基波频率;两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值,而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源基本信号,尤其是控制电流的信号造成干扰。通信用的开关电源开关频率达到了 30MHz,所有对其的 EMI 研究是必要的。一般来说,电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility ,EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 [1]。具体包括以下两方面的含义:(l)电子设备或系统内部 (包括部件和子系统 )在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中,能按原设计要求正常运行。(2)设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的电平,电磁干扰不对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备或系统的正常运行。电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)的构成有三个要素:干扰源、噪声的祸合武汉理工大学毕业设计(论文)2路径及被干扰设备 [2]。因此,电磁兼容要解决的主要问题是: 削弱干扰源的能量,隔离或减弱噪声祸合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰能量主要通过辐射性藕合和传导性藕合进行传输。屏蔽、滤波和接地是最常用的电磁兼容控制技术。屏蔽用于切断空间的辐射发射途径,滤波用于切断通过导线的传导发射途径,而接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。1.2 国内外研究现状在电磁兼容性设计方面欧美等国家起步较早,发展很快。早在上世纪 40 年代就已经提出了电磁兼容概念,60 年代,出现了电磁兼容的计算机辅助分析,80 年代以后,电磁兼容的分析预测性设计逐渐发展并且得到应用,研制了大量不同规模的电磁兼容分析预测软件,同时建立了相应的电磁兼容标准和规范,形成了一整套完整的电磁兼容体系。我国由于过去经济基础比较薄弱,电磁兼容的矛盾不突出,所以起步较晚、水平较低,大多停留在被动的或半主动的解决电磁干扰问题阶段。在 70 年代,国内一些单位特别是军品单位在实际工作中遇到了电磁兼容问题,开始引起重视。80 年代成立了全国无线电干扰标准化技术委员会,研究和制定了一些电磁兼容标准。随着电磁兼容热的迅速升温,国内的一些科研单位、大学也逐渐建立了电磁兼容实验室,进行电磁兼容的检测和认证及电磁环境的测试和评估工作。我国在电磁兼容分析预测方面也作了不少努力,一些系统内、系统间的小规模针对性的电磁兼容分析预测软件己研制出来,如航天部开发的BHEMCAP 软件。目前电磁兼容在军用产品中应用相当广泛,在民用产品中也越来越受到重视。在此期间,滤波技术作为电磁兼容控制的关键技术,也得到了迅速的发展。EMI 滤波器作为滤波技术的载体之一,在国内外研究人员的努力下,其设计理论不断发展。ShifinanJ.C.在 1965 年提出一种图表方法,通过事先绘制成的滤波器插入损耗分析列线图设计单级 L 型或 π 型 EMI 滤波器 [3]。1994 年,Laszio Tihan 外在其专著中发展了这一方法,考虑滤波器件高频特性对列线表的影响,并且这一方法不再局限于单级滤波器 [4]。Richard Lee Ozenbaugh 提出了另一种方法,根据设计阻抗和插入损耗要求选取滤波网络,估算元件参数,然后不断的校核分析滤波器插入损耗,修正元件参数 [5]。这些设计方法分析过程繁杂,校核运算量都很大。在上述理论设计方法的指导下,近年来又出现了一些新的设计方法。文献[6]提供了一种滤波元件数值的计算方法,它以输入阻抗、输出阻抗、电磁兼容标准、正常工作时流过滤波器的电流等作为初始条件,引入滤波器设计阻抗和截止频率的概念,根据截止频率、电磁兼容标准及选取的滤波器电路形式计算得出滤波元件值。这种设计方法简单快捷,但是没有考虑到元器件的高频特性及共模电感磁芯的性质,实际制作通常达不到预期的目标。文献[7]提出一种连续正交阵列(consecutive Orthogonal Array)方法,无需分离共模和差模噪声信号,直接设计整个 EMI 滤波器,而且能够保证较高的功率因数(Power Factor)。但是如果滤波器的拓扑结构复杂一些,其运算量相当大。文献[8] 采用平面电磁综合技术 (Planar Electromagnetic Integration Technology),通过减小
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