EMI濾波器的設(shè)計(jì)原理

摘要：EMI濾波器能有效抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子儀器、計(jì)算機(jī)和測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。詳細(xì)闡述了EMI濾波器的設(shè)計(jì)原理、典型應(yīng)用及測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：電磁干擾 EMI濾波器 電源噪聲 測(cè)試 插入損耗

隨著電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高（幾百伏至幾千伏）、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，常使人防不勝防，這已引起國(guó)內(nèi)外電子界的高度重視。

電磁干擾濾波器（EMI Filter）是近年來(lái)被推廣應(yīng)用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。

1 電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理及應(yīng)用

1.1 構(gòu)造原理

電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz～30MHz，最高可達(dá)150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類(lèi)是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號(hào)，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對(duì)象，又是一個(gè)噪聲源。若從形成特點(diǎn)看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間（簡(jiǎn)稱線對(duì)線）的噪聲。共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地（簡(jiǎn)稱線對(duì)地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性（EMC）的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器就對(duì)串模、共模干擾都起到抑制作用。

1.2 基本電路及其典型應(yīng)用

電磁干擾濾波器的基本電路如圖1所示。該五端器件有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，使用時(shí)外殼應(yīng)接通大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感）L、濾波電容C1～C4。L對(duì)串模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)耦合后總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過(guò)，故稱作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場(chǎng)就會(huì)互相加強(qiáng)。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，參見(jiàn)表1。需要指出，當(dāng)額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量，可改善低頻衰減特性。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01μF～0.47μF,主要用來(lái)濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾。C3和C4亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200pF～0.1μF。為減小漏電流，電容量不得超過(guò)0.1μF，并且電容器中點(diǎn)應(yīng)與大地接通。C1～C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。

圖2示出一種兩級(jí)復(fù)合式EMI濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級(jí)（亦稱兩節(jié)）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對(duì)某些用戶現(xiàn)場(chǎng)存在重復(fù)頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外還開(kāi)發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱群脈沖對(duì)抗器），能對(duì)上述干擾起到抑制作用。

2 EMI濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

為減小體積、降低成本，單片開(kāi)關(guān)電源一般采用簡(jiǎn)易式單級(jí)EMI濾波器，典型電路圖3所示。圖（a）與圖（b）中的電容器C能濾除串模干擾，區(qū)別僅是圖（a）將C接在輸入端，圖（b）則接到輸出端。圖（c）、（d）所示電路較復(fù)雜，抑制干擾的效果更佳。圖（c）中的L、C1和C2用來(lái)濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證使用的安全性。圖（d）則是把共模干擾濾波電容C3和C4接在輸出端。

EMI濾波器能有效抑制單片開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾。圖4中曲線a為加EMI濾波器時(shí)開(kāi)關(guān)電源上0.15MHz～30MHz傳導(dǎo)噪聲的波形（即電磁干擾峰值包絡(luò)線）。曲線b是插入如圖3（d）所示EMI濾波器后的波形，能將電磁干擾衰減50dBμV～70dBμV。顯然，這種EMI濾波器的效果更佳。

3 EMI濾波器的技術(shù)參數(shù)及測(cè)試方法

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

EMI濾波器的主要技術(shù)參數(shù)有：額定電壓、額定電流、漏電流、測(cè)試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗AdB、外形尺寸、重量等。上述參數(shù)中最重要的是插入損耗（亦稱插入衰減），它是評(píng)價(jià)電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

插入損耗（AdB）是頻率的函數(shù)，用dB表示。設(shè)電磁干擾濾波器插入前后傳輸?shù)截?fù)載上的噪聲功率分別為P1、P2,有公式：

AdB=10lg(P1/P2) (1)

假定負(fù)載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12/Z，P2=V2 2/Z。式中V1是噪聲源直接加到負(fù)載上的電壓，V2是在噪聲源與負(fù)載之間插入電磁干擾濾波器后負(fù)載上的噪聲電壓，且V2V1.代入（1）式中得到：

AdB=20lg(V1/V2) (2)

插入損耗用分貝（dB）表示，分貝值愈大，說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。鑒于理論計(jì)算比較煩瑣且誤差較大，通常是由生產(chǎn)廠家進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，根據(jù)噪聲頻譜逐點(diǎn)測(cè)出所對(duì)應(yīng)的插入損耗，然后繪出典型的插入損耗曲線，提供給用戶。圖5給出一條典型曲線。由力疔見(jiàn)，該產(chǎn)品可將1MHz～30MHz的噪聲電壓衰減65dB。

計(jì)算EMI濾波器對(duì)地漏電流的公式為：

ILD=2πfCVc （3）

式中，ILD為漏電流，f是電網(wǎng)頻率。以圖1為例，f=50Hz，C=C3+C4=4400pF，Vc是C3、C4上的壓降，亦即輸出端的對(duì)地電壓，可取Vc≈220V/2=110V。由（3）式不難算出，此時(shí)漏電流ILD=0.15mA。C3和C4若選4700pF，則C=4700pF×2=9400pF，ILD=0.32mA。顯然，漏電流與C成正比。對(duì)漏電流的要求是愈小愈好，這樣安全性高，一般應(yīng)為幾百微安至幾毫安。在電子醫(yī)療設(shè)備中對(duì)漏電流的要求更為嚴(yán)格。

需要指出，額定電流還與環(huán)境溫度TA有關(guān)。例如國(guó)外有的生產(chǎn)廠家給出下述經(jīng)驗(yàn)公式：

I=I1×[(85-TA)/45的根據(jù)2次方]

式中，I1是40℃時(shí)的額定電流。舉例說(shuō)明，當(dāng)TA=50℃時(shí)，I=0.88I1；而當(dāng)TA=25℃時(shí)，I=1.15I1。這表明，額定電流值隨溫度的降低而增大，這是由于散熱條件改善的緣故。

3.2 測(cè)量插入損耗的方法

測(cè)量插入損耗的電路如圖6所示。e是噪聲信號(hào)發(fā)生器，Zi是信號(hào)源的內(nèi)部阻抗，ZL是負(fù)哉阻抗，一般取50Ω。噪聲頻率范圍可選10kHz～30MHz。首先要在不同頻率下分別測(cè)出插入前后負(fù)載上的噪聲壓降V1、V2，再代入（2）式中計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)的AdB值，最后繪出插入損耗曲線。需要指出，上述測(cè)試方法比較煩瑣，每次都要拆裝EMI濾波器。為此可用電子開(kāi)關(guān)對(duì)兩種測(cè)試電路進(jìn)行快速切換。