電源噪聲濾波器的基本原理

1、引言

　　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(yùn)行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個(gè)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交流電網(wǎng)或115V/400Hz交流發(fā)電機(jī)，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(dá)、導(dǎo)航、通信等設(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(jī)械和點(diǎn)火系統(tǒng)，會在感性負(fù)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(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)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(jìn)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(diǎn)，在現(xiàn)代電子設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛，但是因?yàn)樗诠β首儞Q時(shí)處于開關(guān)狀態(tài)，本身就是很強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)EMI噪聲影響到模擬電路時(shí)，會使信號傳輸?shù)男旁氡茸儔?，?yán)重時(shí)會使要傳輸?shù)男盘柋籈MI噪聲所淹沒，而無法進(jìn)行處理。當(dāng)EMI噪聲影響到數(shù)字電路時(shí)，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(hù)電路、輸入輸出電平檢測電路等，電路相當(dāng)復(fù)雜。這些電路主要由通用或?qū)Ｓ眉呻娐窐?gòu)成，當(dāng)受電磁干擾而發(fā)生誤動作時(shí)，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。

圖1電磁干擾信號示意圖

圖2電源濾波器的基本電路圖

　　另外，從電源輸入端進(jìn)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(fù)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(fù)載的工作；

　?。?）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(shí)以及電子設(shè)備處于開關(guān)工作狀態(tài)時(shí)，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(jìn)入交流電網(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(dāng)然應(yīng)配合良好的接地措施。

　　在國際上各個(gè)國家都實(shí)行了嚴(yán)格的電磁噪聲限制規(guī)則，如美國有FCC，德國有FTZ，VDE等標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)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)碾娢幌嗟取⑾辔幌嗤母蓴_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(dú)立的EMI源來分別抑制。

　　在對電磁干擾噪聲采取抑制措施時(shí)，主要應(yīng)考慮抑制共模噪聲，因?yàn)楣材Ｔ肼曉谌l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(gè)特點(diǎn)來選擇適當(dāng)?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(shí)又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EMI噪聲，阻止它們進(jìn)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(jìn)線上兩對獨(dú)立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進(jìn)線上存在的共模干擾噪聲，阻止它們進(jìn)入電源設(shè)備。共模電感線圈用來衰減交流進(jìn)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(gè)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(gè)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(jìn)線獨(dú)立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來抑制交流進(jìn)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(dāng)于這二者的EMI噪聲之間加上一個(gè)阻斷屏障，這樣一個(gè)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(jì)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(diǎn)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(dāng)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(shí)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(shí)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(jìn)線兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會疊加交流進(jìn)線之間存在的各種EMI峰值電壓。所以