实验四电源滤波器插入损耗仿真

电磁场与电磁兼容

实验报告

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5月28日

实验四电源滤波器插入损耗仿真实验

一、实验目的

通过对电源滤波器基本电路的仿真实验，掌握电源滤波器构成以及各器件的功能和作用，理解滤波器EMI 防护原理。

二、实验原理和内容

实验原理图：

图1 电源滤波器电路图

电源滤波器是一种多级差模和共模低通滤波器级联的应用实例，它可同时滤去差模和共模两种模式的高频噪声。

图1 所示为电源滤波器的原理图。L1 和L2是差模电感扼流圈，电感量一般选取几十至几百毫亨，C1是差模滤波电容，一般选取0.047~0.22uF，L3和L4是共模扼流圈，电感量约为几毫亨，绕在同一个铁氧体环上，C2 和C3 是共模滤波电容，电容量一般选取几纳法。

插入损耗计算公式：

图 2 共模扼流

圈

实验内容：使用EWB 或Multisim 等电路仿真软件，对电源滤波器进行仿真，通过改变器件参数、输入阻抗、输出阻抗等条件，观察插入损耗的变化，并对实验结果进行分析。

三、实验步骤

1、设计电源滤波器电路

根据图1 的电路图，在仿真软件中建立仿真模型电路

如下图2、图3 分别为共模、差模插入阻抗测试电路。

图2 共模插入阻抗测试电路

图3 共模插入阻抗测试电路

2、仿真滤波器的频率响应

针对共模电路和差模电路分别进行仿真，分析不同频率下的输出信号。

1）控制输入频率分别等于1kHz,10kHz, 20kHz, 100kHz,观察示波器的输出波形。

2）改变L1 L2的参数、C2 C3的参数，观察频率响应曲线的变化。

3、仿真计算滤波器共模插入损耗

4、仿真计算滤波器差模插入损耗

四、实验数据和结果分析

1、共模电路仿真结果

1）函数发生器参数设置截图

通过改变函数发生器的频率参数来调节频率。

选用变压器代替共模扼流圈，但是选用的变压器并不是理想变压器，因此更改其中一些参数如下：

2）不同频率仿真结果： 从仿真结果可以分析出， 当输入频率在一定低频范围内增大时， 输出并不出 现衰减， 反而随着频率的增大而增大； 当输入频率达到很高的频率范围时， 输出 随着频率的增大而衰减。可见，共模电路的高频特性很好。

3）改变器件参数：

a. 只改变 L1、L2 电感值时，仿真结果如下： L1=L2=50mh L1=L2=100mhL1=L2=500mh

从仿真结果可以看出，增大 L1、L2 的电感，截止频率变小，能更好地衰减高频 干扰信

f=100Hz

f=1kHz

f=9kHz

f=10kHz f=100kHz

f=20kHz

号。

b. 只改变C1的电容值时，仿真结果如下：

C1=0.047uf C1=0.1uf C1=0.5uf

从仿真结果可以看出，改变C1 电容对截止频率几乎无影响

c. 只改变C2、C3 的电容值时，仿真结果如下：

C2=C3=1nF C2=C3=5nF C2=C3=10nF

从仿真结果可以看出，增大电容C2 和C3，高频信号的截止频率减小

4）计算共模损耗

原始参数未改变时

此时选取明显发生了损耗时的频率值15kHz，并在示波器上读取两通道电压值

计算共模插入损耗：增大L1=L2=500mh增大

C2=C3=10nF

未改变器件参数时，S=20lg(U0/Ui)=-2.2dB ；

L1、L2为500mh，S=20lg(U0/Ui)=-26.8dB ；

C2、C3为10nF，S=20lg(U0/Ui)=-11.0dB ；可见增大L1、L2，增大C2、C3，插入损耗均会增大

2)不同频率仿真结果：

f=100Hz f=1kHzf=1.5kHz

f=2kHzf=3kHz f=10kHz

从仿真结果可以分析出，当输入频率在一定低频范围内增大时，输出并不出现衰减；当输入频率达到某一频率范围时，输出随着频率的增大而衰减。当输入频率达到高于正常频率值时，输出信号几乎完全被抑制。

3）改变器件参数：

a. 只改变L1、L2 电感值时，仿真结果如下：

干扰信号

b. 只改变C1的电容值时，仿真结果如下：

C1=0.047uf C1=0.47uf C1=0.7uf

从仿真结果可以看出，改变C1 电容对截止频率几乎无影响

c. 只改变C2、C3 的电容值时，仿真结果如下：

C2=C3=1nF C2=C3=5nF C2=C3=10nF

从仿真结果可以看出，增大电容C2 和C3，高频信号的截止频率减小。

原始参数未改变时

此时选取明显发生了损耗时的频率值1.5kHz ，并在示波器上读取两通道电压值

增大L1=L2=500mh增大C2=C3=10nF

计算差模插入损耗：

未改变器件参数时，S=20lg(U0/Ui)=-3.6dB ；L1、L2为500mh，S=20lg(U0/Ui)=-27.6dB ；C2、C3为10nF，S=20lg(U0/Ui)=-26.9dB ；可见增大L1、L2，增大C2、C3，插入损耗均会增大

五、实验总结

电源滤波器是一种多级差模和共模低通滤波器级联的应用。其作用是阻止电网中噪声进入设备，而且可以抑制设备产生的噪声污染电网。它的优点是可以同时抑制差模与共模两种模式的高频噪声，其滤波性能受电容电感值影响。

在仿真电路中，C2、C3 不宜选取过大，否则容易引起滤波器机壳漏电的危险。同时滤波器金属机壳应该接地，因此C2、C3 之间接地，该地指大地。

在实际中，电源滤波器不是一个理想的低通滤波器。低频时插入损耗很小，电源频率几乎无衰减通过。在截至频率以后，在一定范围内，随着频率的升高，插入损耗不断增加。

六、改进建议

可以将组成滤波器的多个级联环节之间用独立的屏蔽层隔开，以防干扰