开关电源直流EMI滤波器的设计及实现
介绍了基于二端口网络理论的开关电源直流EMI滤波器设计的一般原理和方法。该原理适合于任何滤波器的设计，在实际应用中取得了良好的滤波效果。
引言
电子技术的迅速发展，对电子仪器和设备提出了更高的要求：性能上，更加安全可靠；功能上，不断增加；使用上，自动化程度越来越高；体积上，要日趋小型化。这使得具有众多优点的开关电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面得到了日益广泛的应用。但是，在开关稳压电源中，开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路的元器件产生很强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰严重地污染了市电电网，影响了邻近电子仪器及设备的正常工作；同时，由于这一缺点，使得开关电源无法应用于一些精密的电子仪器中，因此，尽量降低开关电源的电磁干扰，提高其使用范围，是从事开关电源设计必须考虑的问题[1]。
本文应用了二端口网络的原理，对开关电源中直流EMI滤波器进行了分析，给出了直流EMI滤波器设计的一般方法及相关参数的计算方法。
1 基于二端口网络直流EMI滤波器的设计
目前广泛使用的开关电源，无论单桥式、推挽式、半桥式、全桥式都可以归纳为图1所示的形式[2]（以单相为例）。
由图1可以看出，通过对直流EMI滤波器的配置，可以改变电路的等效阻抗，进而达到预期的滤波效果。
直流EMI滤波器双端口网络模型如图2所示。其混合参数方程为
式中：g11为输入导纳；
g22为输出阻抗；
g12为反向电流增益；
g21为正向电压增益。
由式（1）可以等效出如图3所示的原理图。
直流EMI滤波器设计必须满足以下几项要求：
1）要保证滤波器在滤波的同时，不影响电源的带负荷能力；
2）对于输入的直流分量，要求滤波器尽量不造成衰减；
3）对于谐波分量，滤波器要有良好的滤波效果。
结合混合参数方程及等效原理图,由要求1）知，滤波器的输入导纳和输出阻抗要尽可能小，即g11=g22=0
由要求2）知，低频时，反向电流增益g12和正向电压增益g21设计值要尽量为1，而输入导纳和输出阻抗要尽可能小,也即g12=g21=1，g11=g22=0；
由要求3）知，高频时，g11，g12，g21，g22都要尽可能地小。
以上的分析结论就是直流EMI滤波器设计的一般方法及滤波效果的评判标准。
2 实例分析
LC滤波器和四阶直流线路滤波器是工程实际中常用的滤波器,下面就以上面的结论分析其滤波效果。图4为LC滤波器原理图。
其混合参数方程为
对于直流分量，由于f趋向于0，对应有ω=2πf趋向于0；显然g11=g22=0；g12=g21=1。
对于谐波分量，
考虑到当ωL>10时，显然有g11=g12=g21=g22=0。分析系统的输入导纳和输出阻抗，要保证输入导纳g11趋向于0，必然使得L取值很大；要保证输出阻抗g22趋向于0，必然使得C取值同样很大，这给工程实际应用带来了局限性，这也正是LC滤波器的缺点。
在工程实际中广泛应用的四阶直流线路滤波器其原理图如图5所示。
其混合参数方程为
如果令z=1/L1sg，则可以求得相应的参数如下：
g11=gz；g12=g21=z；g22=－L1sz。
下面分析此滤波器电压传递函数的幅频特性，滤波器的电压传递函数为
将参数g代入，应用MATLAB做出其对数幅频特性曲线如图6所示。
显然，在低频段输出电压的衰减较小，高频段的滤波效果比较明显。
由以上分析可以看出，由于此电路元件参数的选择范围较宽,因此较容易设计出满足设计要求，且适用于工程实际的滤波器。作者已将此电路应用到了为长沙某公司所设计的开关电源中。
设计要求为：
1）输入1000V的尖峰电压,最大产生20A电流；
2）滤波器输出电流从0～25A变化时，造成513V电压波动不超过2％。
据此设计要求可得到设计允许值为：
g11=20/1000=0.02；
g22=U/I=(513＊2％)/25=0.4。
最终选定的参数值为：
L1=500μH；L2=140μH；R0=0.3Ω；
C1=470μF；C2=40μF。
将这组参数值代入式(3)得到:
g=5；z=0.003；
g11=gz=0.015；g12=g21=0.003；g22=0.2。
加入此滤波器前后开关电源输出电压波形如下图7所示。
3 结语
本文应用二端口网络原理，对开关电源EMI滤波器的设计要求进行了分析总结，得出了3条设计要求，它适合于任何滤波器的设计。从该设计要求出发，可以对现有的开关电源EMI滤波器性能进行分析。本文给出了一个应用该要求设计出的EMI滤波器，并用在了工程实际，运行结果表明该原理理论性与实践性均较好，具有通用性。
串口通信基本接线方法
目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(<12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（MODEM）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连，本文只涉及到最为基本的接法，且直接用RS232相连。
1.DB9和DB25的常用信号脚说明
9针串口（DB9） 25针串口（DB25）
针号功能说明缩写针号功能说明缩写
1 数据载波检测 DCD 8 数据载波检测 DCD
2 接收数据 RXD 3 接收数据 RXD
3 发送数据 TXD 2 发送数据 TXD
4 数据终端准备 DTR 20 数据终端准备 DTR
5 信号地 GND 7 信号地 GND
6 数据设备准备好 DSR 6 数据准备好 DSR
7 请求发送 RTS 4 请求发送 RTS
8 清除发送 CTS 5 清除发送 CTS
9 振铃指示 DELL 22 振铃指示 DELL
2.RS232C串口通信接线方法（三线制）
首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连
同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连对9针串口和25针串口，均是2与3直接相连；
两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口）
上面表格是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收GPS数据或电子罗盘数据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接，就能百战百胜。
3.串口调试中要注意的几点：
串口调试时，准备一个好用的调试工具，如串口调试助手、串口精灵等，有事半功倍之效果；强烈建议不要带电插拨串口，插拨时至少有一端是断电的，否则串口易损坏。
单工、半双工和全双工的定义
如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。
如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。
如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输，则称为全双工。
电话线就是二线全双工信道。由于采用了回波抵消技术，双向的传输信号不致混淆不清。双工信道有时也将收、发信道分开，采用分离的线路或频带传输相反方向的信号，如回线传输。
奇偶校验
串行数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，例如，传输字符 E ，其各位为：
0100，0101=45H
D7 D0
由于干扰，可能使位变为1，这种情况，我们称为出现了“误码”。我们把如何发现传输中的错误，叫“检错”。发现错误后，如何消除错误，叫“纠错”。
最简单的检错方法是“奇偶校验”，即在传送字符的各位之外，再传送1位奇/偶校验位。可采用奇校验或偶校验。
奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为奇数，如：
1 0110，0101
0 0110，0001
偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为偶数，如：
1 0100，0101
0 0100，0001
奇偶校验能够检测出信息传输过程中的部分误码（1位误码能检出，2位及2位以上误码不能检出），同时，它不能纠错。在发现错误后，只能要求重发。但由于其实现简单，仍得到了广泛使用。
有些检错方法，具有自动纠错能力。如循环冗余码（CRC）检错等。
串口通讯流控制
我们在串行通讯处理中，常常看到RTS/CTS和XON/XOFF这两个选项，这就是两个流控制的选项，目前流控制主要应用于调制解调器的数据通讯中，但对普通RS232编程，了解一点这方面的知识是有好处的。那么，流控制在串行通讯中有何作用，在编制串行通讯程序怎样应用呢？这里我们就来谈谈这个问题。
1.流控制在串行通讯中的作用
这里讲到的“流”，当然指的是数据流。数据在两个串口之间传输时，常常会出现丢失数据的现象，或者两台计算机的处理速度不同，如台式机与单片机之间的通讯，接收端数据缓冲区已满，则此时继续发送来的数据就会丢失。现在我们在网络上通过MODEM进行数据传输，这个问题就尤为突出。流控制能解决这个问题，当接收端数据处理不过来时，就发出“不再接收”的信号，发送端就停止发送，直到收到“可以继续发送”的信号再发送数据。因此流控制可以控制数据传输的进程，防止数据的丢失。PC机中常用的两种流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和软件流控制XON/XOFF（继续/停止），下面分别说明。
2.硬件流控制
硬件流控制常用的有RTS/CTS流控制和DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪）流控制。
硬件流控制必须将相应的电缆线连上，用RTS/CTS（请求发送/清除发送）流控制时，应将通讯两端的RTS、CTS线对应相连，数据终端设备（如计算机）使用RTS来起始调制解调器或其它数据通讯设备的数据流，而数据通讯设备（如调制解调器）则用CTS来起动和暂停来自计算机的数据流。这种硬件握手方式的过程为：我们在编程时根据接收端缓冲区大小设置一个高位标志（可为缓冲区大小的75％）和一个低位标志（可为缓冲区大小的25％），当缓冲区内数据量达到高位时，我们在接收端将CTS线置低电平（送逻辑0），当发送端的程序检测到CTS为低后，就停止发送数据，直到接收端缓冲区的数据量低于低位而将CTS置高电平。RTS则用来标明接收设备有没有准备好接收数据。
常用的流控制还有还有DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪）。我们在此不再详述。由于流控制的多样性，我个人认为，当软件里用了流控制时，应做详细的说明，如何接线，如何应用。
3.软件流控制
由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过XON/XOFF来实现软件流控制。常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出XOFF字符（十进制的19或Control-S，设备编程说明书应该有详细阐述），发送端收到XOFF字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出XON字符（十进制的17或Control-Q），发送端收到XON字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。
应该注意，若传输的是二进制数据，标志字符也有可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控制的缺陷，而硬件流控制不会有这个问题。
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