一种用于led开关电源的数字有源emi滤波方法
【专利摘要】本发明公开的一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，具体按照以下步骤实施：从电网侧提取EMI信号；控制器对EMI信号采集；基于维纳滤波法精确重构EMI信号；校正控制；EMI信号模拟输出；EMI信号注入电源侧。本发明用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，可以大幅减小滤波器体积，且功率越大，减小体积比例越大；该方法同时具有滤波器的体积不随功率而变化的特性。本方法有效利用开关电源的数字控制器，仅增加了一个RF电感及几个高频电阻、电容，却省去了需要流经功率电流的无源模拟EMI滤波器，功率转换器效率可至少提高10%，总体上至少可节省成本15%。
【专利说明】—种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法
【技术领域】
[0001]本发明属于开关电源电磁兼容【技术领域】，具体涉及一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法。
【背景技术】
[0002]开关电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点受到人们的青睐，近年来随着LED技术的不断创新和发展，对LED驱动器的需求与日俱增。开关电源式LED驱动器现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化、轻便化，但高频化会产生电磁干扰，若干扰较大会对电网产生EMI污染，使得与其相连的其他设备出现故障。一般国家对接入电网的LED电源设有EMC标准，涉及到EMI的限值，对于我国LED开关电源应符合我国EMC标准GB17743-2007。
[0003]无源模拟EMI滤波器被广泛应用于功率转换器中来减少电磁干扰，但是一方面由于无源模拟EMI滤波器体积较大，另一方面滤波器的成本和功耗随LED开关电源额定功率变化，使无源模拟EMI滤波器的应用受到限制；模拟有源EMI滤波器能够准确抑制电磁干扰，但抑制效果受制于放大器的高频性能及高增益参数的实现；内部EMI滤波抑制技术一般不具有普遍性和实用性。因此本发明针对以上问题，提出一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，解决了传统EMI滤波方法随功率变大而体积、成本和功耗变大的问题。
[0005]本发明采用的技术方案是，一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，采用嵌入式数字有源EMI滤波器，其结构为:包括依次连接的市网电源、数字有源EMI滤波辅助电路、AC/DC不控整流桥、高频DC/DC变换器、输出电压和电流检测电路和LED负载；数字有源EMI滤波辅助电路、高频DC/DC变换器、输出电压和电流检测电路还分别与控制器相连接；
[0006]具体按照以下步骤实施:
[0007]步骤1:从电网侧提取EMI信号；
[0008]步骤2:控制器对EMI信号采集；
[0009]步骤3:基于维纳滤波法精确重构EMI信号；
[0010]步骤4:校正控制；
[0011]步骤5 =EMI信号模拟输出；
[0012]步骤6 =EMI信号注入电源侧。
[0013]本发明的有益效果是，和传统的滤波方法相比，在EMI抑制和稳定性方面可以实现一个相同或更好的性能的条件下，由于嵌入式的数字有源滤波器省去了大体积的无源滤波元件，可以大幅减小滤波器体积，且功率越大，减小体积比例越大；该方法同时具有滤波器的体积不随功率而变化的特性。本方法有效利用开关电源的数字控制器，仅增加了一个RF电感及几个高频电阻、电容，却省去了需要流经功率电流的无源模拟EMI滤波器，功率转换器效率可至少提高10%，总体上至少可节省成本15%。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明方法采用的嵌入式数字有源EMI滤波器的原理框图；
[0015]图2是本发明方法的设计流程图；
[0016]图3是本发明方法实现的控制原理框图。
[0017]图中，1.控制器，2.市网电源，3.数字有源EMI滤波辅助电路，4.AC/DC不控整流桥，5.高频DC/DC变换器，6.输出电压和电流检测电路，7.LED负载，8.EMI提取电路传递函数，9.离散系统，10.EMI注入电路传递函数，11.解耦电路传递函数，12.离散化传递函数，13.维纳滤波传递函数，14.有源EMI滤波器校正器传递函数。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019]本发明用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，采用了嵌入式数字有源EMI滤波器，其结构如图1所示，包括依次连接的市网电源2、数字有源EMI滤波辅助电路3、AC/DC不控整流桥4、高频DC/DC变换器5、输出电压和电流检测电路6和LED负载7。数字有源EMI滤波辅助电路3、高频DC/DC变换器5、输出电压和电流检测电路6还分别与控制器I相连接。
[0020]市网电源2为220V/50HZ的单相交流电源；数字有源EMI辅助电路3是由共模EMI信号提取电路、射频电感Lkf和EMI信号注入电路三部分组成，EMI信号提取电路是由电阻Rs和电容Cs构成的高通滤波器，接在LED电源线和地电位之间，电阻Rs对地两端之间提取共模传导EMI信号；EMI信号注入电路是由电阻Rinj和电容Cinj构成的低通滤波器，把经控制器处理的模拟输出EMI信号注入到LED开关电源的输入侧；射频电感Lkf接在提取点和注入点之间，来降低提取点和注入点的耦合性；AC/DC不控整流桥4是二极管整流电路；高频DC/DC变换器5是由全桥高频逆变电路、高频变压器和同步整流电路三小部分组成；AC/DC不控整流桥4和高频DC/DC变换器5组成LED开关电源的主电路，采用PWM技术控制高频DC/DC变换器传输电能，进而控制LED开关电源的输出电流使其为恒流输出；输出电压电流检测电路6，采用霍尔传感器检测输出电流大小，采用串联电阻分压的方法检测输出电压的大小，即Rl与R2串联分压；控制器I选取FPGA+DSP的数字信号处理器，利用FPGA的并行能力提高控制速度，包括LED开关电源控制器和EMI校正器，完成对输出电压和电流的调节、EMI信号的采集、维纳滤波重构和校正处理；LED负载7为常见的中大功率LED恒流负载。电感Lkf用于阻抗匹配，实现阻抗平衡，串联在电路中起到RF滤波器的作用，衰减30MHz以上的频率信号，而EMI涉及9kHz到30MHz的频率信号则畅通无阻。
[0021]本发明一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法的设计流程如图2所示，具体按照以下步骤实施:
[0022]步骤1:从电网侧提取EMI信号。
[0023]由接在电网侧的共模EMI提取电路提取功率转换器产生的共模传导电磁干扰信号。根据我国EMC国家标准GB17743-2007中所要求共模传导电磁干扰信号的下限频率9kHz，并留有一定的裕量设定高通滤波器转折频率为f\=8.8kHz，提取出大于转折频率信号的电磁干扰信号。结合电阻电容关系式(I)和现有元件参数取值确定电容Cs和电阻Rs的值分别为:CS=0.15 μ F，Rs= 120 Ω。即:
[0024]
【权利要求】
1.一种用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，采用嵌入式数字有源EMI滤波器，其结构为:包括依次连接的市网电源(2)、数字有源EMI滤波辅助电路(3)、AC/DC不控整流桥(4)、高频DC/DC变换器(5)、输出电压和电流检测电路(6)和LED负载(7);所述的数字有源EMI滤波辅助电路(3)、高频DC/DC变换器(5)、输出电压和电流检测电路(6 )还分别与控制器(I)相连接； 具体按照以下步骤实施: 步骤1:从电网侧提取EMI信号； 步骤2:控制器对EMI信号采集； 步骤3:基于维纳滤波法精确重构EMI信号； 步骤4:校正控制； 步骤5 =EMI信号模拟输出； 步骤6 =EMI信号注入电源侧。
2.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤I具体按照以下步骤实施: 由接在电网侧的共模EMI提取电路提取功率转换器产生的共模传导电磁干扰信号，根据我国EMC国家标准GB17743-2007中所要求共模传导电磁干扰信号的下限频率9kHz，并留有一定的裕量设定高通滤波器转折频率为f\=8.8kHz，提取出大于转折频率信号的电磁干扰信号，结合电阻电容关系式(I)和现有元件参数取值确定电容Cs和电阻Rs的值分别为:Cs=0.15 μ F，RS=120Q ,即:
3.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤2具体按照以下步骤实施: 由高通滤波器提取的EMI干扰信号经模数转换进行数字化处理，转换为对应的数字信号以供控制器处理，为保证采样信号的不失真，ADC的采样频率为国家标准GB17743-2007的上限频率30MHz的10倍左右，取采样率为300MSPS，选用14位的AD转换器； 数字化处理对应的传递函数为:
4.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤3具体按照以下步骤实施: 假设维纳滤波器输入信号为V (s),输出信号为Pv (s),输入输出关系表不为: Pv(s)=W(s)V(s) (4)估计误差Er (s)被定义为实际EMI信号P Cs)和重构EMI信号Pv Cs)的差值: Er (s) =P (s)-Pv (s) =P (s)-W (s)V (s) (5) 实际EMI骚扰与重构EMI骚扰的均方根误差在频域范围内定义为: E[|Er (s) 2]=E[ (P (s)-W (s)V (s))* (P (s)-W (s) V (s))] (6) 式中:E[.]表示期望算子，*表示复数共轭相乘； 根据复数导数规则给上式复二次型对H(j ω)求导数，使其导数为零，可得最优值Wtl(S)；
5.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤4具体按照以下步骤实施: 经维纳滤波重构的EMI信号，通过校正控制器处理得到与注入EMI模拟信号相对应的数字信号，控制器采用DSP和FPGA，利用FPGA的并行能力提高共模传导EMI数字信号的处理速度。
6.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤5具体按照以下步骤实施: 步骤4得到的共模传导EMI数字信号经数模转换得到与其相对应的模拟信号，为保证输出的EMI模拟信号精确度，选取14位的高速DA转换器。
7.根据权利要求1所述的用于LED开关电源的数字有源EMI滤波方法，其特征在于，所述的步骤6具体按照以下步骤实施: EMI模拟输出信号经低通滤波器注入LED开关电源输入侧,输出的模拟信号与LED开关电源产生的共模传导EMI信号相互抵消，有效抑制由LED开关电源流入电网的共模传导EMI信号；EMI信号注入电路为一个RC的低通滤波器，主要用以滤除由控制器发出的EMI模拟输出信号中30MHz以上的高频噪声，电容Cinj也可防止DAC模块受功率转换器主电路的影响；根据EMC标准GB17743-2007共模传导EMI最大频率30MHz，并留有一定裕量选取低通滤波器的转折频率为32MHz，然后结合电阻电容关系式(9)和现有元件参数取值确定电容Cinj和电阻 Rinj 的值为:Cinj=lnF，RinJ=5 Ω，即:
【文档编号】H02M1/44GK103795238SQ201410036622
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】姬军鹏, 胡雪利, 华志广, 曾光, 张静刚, 孙向东, 李金刚 申请人:西安理工大学