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          電磁干擾濾波器的設(shè)計和選用分析

          作者: 時間:2018-09-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          1、引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201809/389067.htm

          隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,電子、電力電子、電氣設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛,它們在運行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個空間,形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。復(fù)雜的電磁環(huán)境要求電子設(shè)備及電源具有更高的電磁兼容性。于是抑制電磁干擾的技術(shù)也越來越受到重視。接地、屏蔽和濾波是抑制電磁干擾的三大措施,下面主要介紹在電源中使用的EMI濾波器及其基本原理和正確應(yīng)用方法。

          2、電源設(shè)備中噪聲濾波器的作用

          電子設(shè)備的供電電源,如220V/50Hz電網(wǎng)或115V/400Hz發(fā)電機,都存在各式各樣的EMI噪聲,其中人為的EMI干擾源,如各種雷達、導(dǎo)航、等設(shè)備的無線電發(fā)射信號,會在電源線上和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號,電動旋轉(zhuǎn)機械和點火系統(tǒng),會在感性負載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)過程和輻射噪聲干擾;還有自然干擾源,比如雷電放電現(xiàn)象和宇宙中天電干擾噪聲,前者的持續(xù)時間短但能量很大,后者的頻率范圍很寬。另外電子電路元器件本身工作時也會產(chǎn)生熱噪聲等。

          這些電磁干擾噪聲,通過輻射和傳導(dǎo)耦合的方式,會影響在此環(huán)境中運行的各種電子設(shè)備的正常工作。

          另一方面,電子設(shè)備在工作時也會產(chǎn)生各種各樣的電磁干擾噪聲。比如數(shù)字電路是采用脈沖信號(方波)來表示邏輯關(guān)系的,對其脈沖波形進行付里葉分析可知,其諧波頻譜范圍很寬。另外在數(shù)字電路中還有多種重復(fù)頻率的脈沖串,這些脈沖串包含的諧波更豐富,頻譜更寬,產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也更復(fù)雜。

          各類穩(wěn)壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線性穩(wěn)壓電源中,因整流而形成的單向脈動電流也會引起電磁干擾;開關(guān)電源具有體積小,效率高的優(yōu)點,在現(xiàn)代電子設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛,但是因為它在功率變換時處于開關(guān)狀態(tài),本身就是很強的EMI噪聲源,其產(chǎn)生的EMI噪聲既有很寬的頻率范圍,又有很高的強度。這些電磁干擾噪聲也同樣通過輻射和傳導(dǎo)的方式污染電磁環(huán)境,從而影響其它電子設(shè)備的正常工作。

          對電子設(shè)備來說,當EMI噪聲影響到模擬電路時,會使信號傳輸?shù)男旁氡茸儔?,嚴重時會使要傳輸?shù)男盘柋籈MI噪聲所淹沒,而無法進行處理。當EMI噪聲影響到數(shù)字電路時,會引起邏輯關(guān)系出錯,導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。

          對于電源設(shè)備來說,其內(nèi)部除了功率變換電路以外,還有驅(qū)動電路、控制電路、保護電路、輸入輸出電平檢測電路等,電路相當復(fù)雜。這些電路主要由通用或?qū)S眉呻娐窐?gòu)成,當受電磁干擾而發(fā)生誤動作時,會使電源停止工作,導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常工作。采用電網(wǎng)噪聲濾波器可有效地防止電源因外來電磁噪聲干擾而產(chǎn)生誤動作。

          另外,從電源輸入端進入的EMI噪聲,其一部分可出現(xiàn)在電源的輸出端,它在電源的負載電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,成為電路產(chǎn)生誤動作或干擾電路中傳輸信號的原因。這些問題同樣也可用噪聲濾波器來加以防止。

          在電源設(shè)備中采用噪聲濾波器的作用如下:

          (1)防止外來電磁噪聲干擾電源設(shè)備本身控制電路的工作;

          (2)防止外來電磁噪聲干擾電源的負載的工作;

          (3)抑制電源設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI;

          (4)抑制由其它設(shè)備產(chǎn)生而經(jīng)過電源傳播的EMI。

          開關(guān)電源本身在工作時以及電子設(shè)備處于開關(guān)工作狀態(tài)時,都會在電源設(shè)備的輸入端出現(xiàn)終端噪聲,產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾,也會進入電網(wǎng)干擾其它的電子設(shè)備,所以必須采取有效措施加以抑制。在抑制EMI噪聲的輻射干擾方面,電磁屏蔽是最好的方式。而在抑制EMI噪聲的傳導(dǎo)干擾方面,采用EMI濾波器是很有效的手段,當然應(yīng)配合良好的接地措施。

          在國際上各個國家都實行了嚴格的電磁噪聲限制規(guī)則,如美國有FCC,德國有FTZ,VDE等標準。如電子設(shè)備不滿足噪聲限制規(guī)則,則產(chǎn)品就不能出售和使用。

          由于上述種種原因,在電源設(shè)備中必須要設(shè)計使用滿足要求的電網(wǎng)噪聲濾波器。

          3EMI噪聲和濾波器的類型

          在電源設(shè)備輸入引線上存在二種EMI噪聲:共模噪聲和差模噪聲,如圖1所示。把在交流輸入引線與地之間存在的EMI噪聲叫作其共模噪聲,它可看作為在交流輸入線上傳輸?shù)碾娢幌嗟?、相位相同的干擾信號,即圖1的電壓V1和V2。而把交流輸入引線之間存在的EMI噪聲叫作差模噪聲,它可看作為在交流輸入線傳輸?shù)南辔徊?80°的干擾信號,即圖1中的電壓V3。共模噪聲是從交流輸入線流入大地的干擾電流,差模噪聲是在交流輸入線之間流動的干擾電流。對任何電源輸入線上的傳導(dǎo)EMI噪聲,都可以用共模和差模噪聲來表示,并且可把這二種EMI噪聲看作獨立的EMI源來分別抑制。

          在對電磁干擾噪聲采取抑制措施時,主要應(yīng)考慮抑制共模噪聲,因為共模噪聲在全頻域特別在高頻域占主要部分,而在低頻域差模噪聲占比例較大,所以應(yīng)根據(jù)EMI噪聲的這個特點來選擇適當?shù)腅MI濾波器。

          電源用噪聲濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中;分立式是在印制板上安裝電感線圈、電容器等,構(gòu)成抑制噪聲濾波器。到底采用哪種形式要根據(jù)成本、特性、安裝空間等來確定。一體化式成本高,特性較好,安裝靈活;分立式成本較低,但屏蔽不好,可自由分配在印制板上。

          4、噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)

          電源EMI噪聲濾波器是一種無源低通濾波器,它無衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫?,而大大衰減隨交流電傳入的EMI噪聲;同時又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EMI噪聲,阻止它們進入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備。

          單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由集中參數(shù)元件組成的四端無源網(wǎng)絡(luò),主要使用的元件是共模電感線圈L1、L2,差模電感L3、L4,以及共模電容CY1、CY2和差模電容器CX。若將此濾波器網(wǎng)絡(luò)放在電源的輸入端,則L1與CY1及L2與CY2分別構(gòu)成交流進線上兩對獨立端口之間的低通濾波器,可衰減交流進線上存在的共模干擾噪聲,阻止它們進入電源設(shè)備。共模電感線圈用來衰減交流進線上的共模噪聲,其中L1和L2一般是在閉合磁路的鐵氧體磁芯上同向卷繞相同匝數(shù),接入電路后在L1、L2兩個線圈內(nèi)交流電流產(chǎn)生的磁通相互抵消,不致使磁芯引起磁通飽和,又使這兩個線圈的電感值在共模狀態(tài)下較大,且保持不變。

          差模電感線圈L3、L4與差模電容器CX構(gòu)成交流進線獨立端口間的一個低通濾波器,用來抑制交流進線上的差模干擾噪聲,防止電源設(shè)備受其干擾。

          圖2所示的電源噪聲濾波器是無源網(wǎng)絡(luò),它具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網(wǎng)與電源之間,相當于這二者的EMI噪聲之間加上一個阻斷屏障,這樣一個簡單的無源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用,從而在各種電子設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。

          5、噪聲濾波器的主要設(shè)計原則

          共模電感線圈使用的磁芯有環(huán)形、E形和U形等,材料一般采用鐵氧體,環(huán)形磁芯適用于大電流小電感量,它的磁路比E形和U形長,沒有間隙,用較少的圈數(shù)可獲得較大的電感量,由于這些特點它具有較佳的頻率特性。而E形磁芯的線圈泄漏磁通小,故當電感漏磁有可能影響其它電路或其它電路與共模電感有磁耦合,而不能獲得所需要的噪聲衰減效果時應(yīng)考慮采用E形磁芯作成共模電感。

          差模電感線圈一般采用金屬粉壓磁芯,由于粉壓磁芯適用頻率范圍較低,在幾十kHz~幾MHz,其直流重疊特性好,在大電流應(yīng)用時電感量也不會大幅下降,最適合作為差模電感。

          圖2中,電源噪聲濾波器使用二種電容器,CX、CY1和CY2,它們在濾波器中的作用不同,還有不同的安全等級要求,因此其性能參數(shù)直接與濾波器的安全性能有關(guān)。

          差模電容CX接在交流電進線兩端,它上面除加有額定交流電壓以外,還會疊加交流進線之間存在的各種EMI峰值電壓。所以該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高,同時要求該電容器失效后,不能危及后面電路及人身安全。CX電容器的安全等級又分為X1和X2兩類,X1類適用于一般場合,X2類適用于會出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應(yīng)用場合。

          共模電容CY接在交流電進線與機殼地之間,要求它們在電氣和機械性能上,應(yīng)有足夠大的安全余量,萬一它們發(fā)生擊穿短路,將使設(shè)備機殼帶上危險的交流電,如設(shè)備的絕緣或接地保護失效,可能使操作人員遭受電擊,甚至危及人身安全。因此對CY電容器的容量要進行限制,使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求其應(yīng)有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量,并且萬一發(fā)生電壓擊穿它應(yīng)處于開路狀態(tài),而不會使設(shè)備機殼帶電。

          綜上所述,在設(shè)計和選擇電網(wǎng)噪聲濾波器時,因為它們工作在高電壓、大電流、惡劣的電磁干擾環(huán)境中,首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對于電感線圈,其磁芯、繞線的材料,絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應(yīng)予重視。對于電容器,其電容種類、耐壓、安全等級、容量、漏電流等都應(yīng)優(yōu)先考慮,特別要求選擇經(jīng)過國際安全機構(gòu)安全認證的產(chǎn)品。

          6、濾波器的安全性能參數(shù)

          6.1濾波器與漏電流

          電網(wǎng)濾波器漏電流定義為:在額定交流電壓下,濾波器外殼到交流進線任一端的電流。如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的,則漏電流的值,主要取決于共模電容CY的漏電流,即主要取決于CY的容量。由于濾波器漏電流的大小,涉及到人身安全,國際上各國對此都有嚴格的標準規(guī)定。對于220V/50Hz交流電網(wǎng)供電,一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。

          6.2濾波器與試驗電壓

          對于交流電網(wǎng)噪聲濾波器,試驗電壓分為兩種:一種是加在交流進線兩端,即線—線試驗電壓。若電感線圈及引線是絕緣良好的,它主要取決于電容器CX的耐壓;另一種是加在交流進線任一端與機殼地之間,即線—地試驗電壓。它主要取決于CY的耐壓。

          漏電流和試驗電壓都是噪聲濾波器的安全性能參數(shù),是濾波器中電感線圈、絕緣和電容器CX、CY安全性能的具體表現(xiàn),并且與設(shè)備及人身安全緊密相關(guān)。因此在電網(wǎng)噪聲濾波器的設(shè)計、生產(chǎn)和使用中,都要特別加以重視,把這些技術(shù)參數(shù)的認證和檢驗放在首位。

          7、濾波器的技術(shù)參數(shù)及正確使用

          (1)插入損耗是噪聲濾波器的重要技術(shù)參數(shù)之一,在設(shè)計和選用時應(yīng)予主要考慮。在濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機械等條件都滿足要求時,應(yīng)盡量選擇插入損耗值大些。

          插入損耗的定義如圖3所示,當沒接濾波器時,信號源輸出電壓為V1,當濾波器接入后,在濾波器輸出端測得信號源的電壓為V2。若信號源輸出阻抗與接收機輸入阻抗相等,都是50Ω,則濾波器的插入損耗為:IL=20log(V1/V2)(1)

          因為電源噪聲濾波器能衰減共模和差模噪聲,所以它即有共模插入損耗,又有差模插入損耗。

          但在實際選用濾波器時,應(yīng)注意產(chǎn)品手冊給出的插入損耗曲線,都是按照標準規(guī)定,在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測得的。因為實際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內(nèi)是50Ω,所以它對EMI信號的衰減,并不等于產(chǎn)品手冊中給出的插入損耗值。特別當使用安裝不當時,還會遠遠小于標準給定的插入損耗。

          (2)電源噪聲濾波器是一種具有互易性的無源網(wǎng)絡(luò)。在實際應(yīng)用中為使它有效地抑制噪聲應(yīng)合理配接。按圖4所示組合來選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù),才能得到較好的EMI抑制效果。

          當濾波器的輸出阻抗與負載阻抗不相等時,在此端口上會產(chǎn)生反射,兩個阻抗相差越大,端口產(chǎn)生的反射也越大。當濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時,則EMI信號將在其輸入和輸出端都產(chǎn)生反射。這時電源濾波器對電磁干擾噪聲的衰減,就與濾波器固有的插入損耗和反射損耗有關(guān),可利用這點更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實際設(shè)計和選擇使用EMI濾波器時,要注意濾波器阻抗的正確連接,以造成盡可能大的反射,使濾波器在很寬的頻率范圍內(nèi)造成較大的阻抗失配,從而得到更好的電磁干擾抑制性能。

          (3)在電源濾波器的實際應(yīng)用中,要求其外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接,且應(yīng)使接地線盡量短,因為過長的接地線會加大接地電阻和電感,而嚴重削減濾波器的共模抑制能力,同時也會產(chǎn)生公共接地阻抗耦合的問題。如圖5所示,接地線過長,則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過大,負載上電壓為:V0=VZ+Vg=VZ+(Ii-IO)Zg(2)式中:Ii為濾波器交流輸入電路的噪聲電流;IO為濾波器輸出電路的噪聲電流。

          由式(2)可知,電磁干擾信號經(jīng)過濾波器衰減后,在輸出端的噪聲電流大大小于輸入端的噪聲電流,即公共接地阻抗引起的壓降(Ii-IO)Zg將很大,在Zg上將產(chǎn)生一個很高的電磁干擾電壓,經(jīng)過公共接地回路耦合到濾波器的輸出端,從而大大減弱噪聲濾波器對EMI噪聲的抑制能力。

          減小公共阻抗耦合的最好方法,就是借助設(shè)備的電磁屏蔽,把噪聲濾波器的輸入端與輸出端隔離開,同時濾波器的接地線要盡量短,這樣既把濾波器輸入與輸出端間存在的電磁耦合降到最低程度,又不破壞設(shè)備的屏蔽結(jié)構(gòu)對于電磁干擾噪聲的抑制作用。

          理想的電源噪聲濾波器安裝方式如圖6所示。

          (4)綜上所述,電源噪聲濾波器的使用應(yīng)注意如下幾點:

          ①濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備交流電入口處安裝,應(yīng)使未經(jīng)過濾波器的交流進線在設(shè)備內(nèi)盡量短;

          ②濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短,以免引線感抗和容抗在較低頻率上產(chǎn)生諧振;

          ③濾波器接地線上有大的電流流過,會產(chǎn)生電磁輻射,應(yīng)對濾波器進行良好的屏蔽和接地;

          ④濾波器的輸入線和輸出線不能捆扎在一起,布線時盡量增大其間距離,以減小它們之間的耦合,可加隔板或屏蔽層。

          8、結(jié)語

          電磁干擾濾波器的設(shè)計和選用,主要依據(jù)噪聲干擾特性和系統(tǒng)電磁兼容性的要求,在了解電磁干擾的頻率范圍,估計干擾的大致量級的基礎(chǔ)上進行。首先要了解濾波器的使用環(huán)境(使用電壓、負載電流、環(huán)境溫濕度、振動沖擊、安裝方式和位置等),要重點考慮其安全性能參數(shù),因為關(guān)系到設(shè)備及人身安全。還要使濾波器對EMI噪聲產(chǎn)生最佳的抑制效果。應(yīng)根據(jù)接入電路的要求,以產(chǎn)生最大阻抗不匹配的原則來選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。為了獲得最佳的電磁噪聲衰減特性,濾波器應(yīng)該正確地安裝在電子設(shè)備上。



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