EMI濾波器設(shè)計專題

1、  EMI濾波器基本概念

電源線是干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)備產(chǎn)生的干擾也可能通過電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設(shè)備的正常工作。因此，必須在設(shè)備的電源進線處加入EMI濾波器，這種濾波器是低通濾波器，它只允許設(shè)備正常工作頻率信號進入設(shè)備（一般來說就是工頻50Hz，60Hz或者中頻400Hz），而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。由此我們知道EMI的作用主要有兩個：

a抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對設(shè)備的影響；

b抑制設(shè)備（本文主要指高頻開關(guān)電源）對交流電網(wǎng)的干擾。

2、干擾的分類

一般我們常把干擾分為共模干擾和差模干擾兩大類。所謂共模干擾就是任何載流導(dǎo)體與參考地之間不希望有的電位差；而差模干擾則是任何兩個載流導(dǎo)體之間不希望有的電位差。這兩種干擾的來源可以從以下兩個方面進行考慮：

2.1共模干擾的來源：

架空導(dǎo)線載傳輸?shù)倪^程中會受到周圍空間電磁環(huán)境的輻射，火線、中線和安全地上所感應(yīng)的信號的幅值和相位幾乎是相等的，由于安全地線要和大地相連接，所以就形成了火線、中線和安全地之間的共模干擾。

2.2差模干擾的來源：

共用一條輸電線的不同設(shè)備，當(dāng)其中的某一設(shè)備進行切換操作時，火線和中線之間會形成幅值大致相等而相位相反的信號，這種信號就是差模干擾。

簡單地說，共模干擾就是兩個都是進去，而差模干擾則是一進一出。

3、EMI濾波器設(shè)計

3.1 EMI濾波器的典型結(jié)構(gòu)

EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號順利通過，而對高頻干擾有抑制作用。怎樣才能抑制這些高頻干擾信號呢？無非就是要在信號進入設(shè)備之前把它遏制，也就是說，在輸入電路部分對高頻干擾形成所謂的阻抗失配。在開關(guān)電源中常用的EMI濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EMI濾波器的典型結(jié)構(gòu)

圖中的L就是共模電感，它是在同一個磁環(huán)上繞制兩個繞向相反，匝數(shù)相同的線圈所形成的，如圖2所示。它只對共模干擾有抑制作用，對差模干擾卻沒有抑制作用，這是為什么呢？我們可以從物理的角度來解釋：

圖2 共模電感（環(huán)形電感比較難畫，這是截來的圖片，電流和磁通都沒有畫上去，見諒?。?/SPAN>

當(dāng)電網(wǎng)輸入共模干擾時，這兩種方向相同的縱向噪聲電流如圖2中的 ，由右手螺旋定則可知，兩個線圈產(chǎn)生的磁通 （實線所示）順向串連磁通相加，電感呈現(xiàn)出高阻抗，阻止共模干擾進入開關(guān)電源。同時也阻止了開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾向電網(wǎng)擴散，以免污染交流電網(wǎng)。而差模干擾電流 和 在L1和L2中所產(chǎn)生的磁通如圖中 和 （虛線所示），它們反向串連，磁通相互抵消，感抗為零。差模干擾和工頻交流電在形式上是一樣的，所以共模電感對差模干擾和工頻交流有用信號都沒有影響。

3.2   EMI濾波器的性能指標

任何一種產(chǎn)品都有它特定的性能指標，或者是客戶所期望的，或者是某些標準所規(guī)定的。我們設(shè)計產(chǎn)品的技術(shù)目標就是滿足這些指標就可以了。所謂的“看菜吃飯，量體裁衣”。EMI濾波器最重要的技術(shù)指標是對干擾的抑制能力，常常用所謂的插入損耗 （Insertion  Loss）來表示，它的定義是：沒有接入濾波器時從干擾源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后從干擾源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比，用分貝（dB）表示。

圖3 EMI等效原理圖

 其中                （1）

所以：             

                         （2）

由圖3（a）可知

                                （3）

圖3（b）是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸方程為

                                （4）

又因為有

                                 （5）

由（2）－（5）式可知

                      （6）

所以

      （7）

由（7）式可以看出，EMI濾波器的插入損耗與濾波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量以及源端和負載端的阻抗有關(guān)。為避免濾除有用信號, 插損指標須謹慎提出。不論是軍用還是民用EMC 標準, 對設(shè)備或分系統(tǒng)的電源線傳導(dǎo)干擾電平都有明確的規(guī)定, 預(yù)估或測試獲得的EMI傳導(dǎo)干擾電平和標準傳導(dǎo)干擾電平之間的差值即所需的EMI濾波器的最小插損。然而,對不同的單臺設(shè)備都進行EMC 測試,而后分析其傳導(dǎo)干擾特性, 設(shè)計合乎要求的濾波器, 這在實際工程中顯然是不可能的。事實上, 國家標準中規(guī)定了電源濾波器插入損耗的測試方法。在標準測試條件下,一般軍用電源濾波器應(yīng)滿足10kHz～ 30MHz 范圍內(nèi)插入損耗30～ 60dB。工程設(shè)計人員只需要根據(jù)實際情況選擇合適的濾波器。

3.3   EMI濾波器設(shè)計原理

在圖3（b）中我們把濾波器等效成為一個而端口網(wǎng)絡(luò)，它的輸入阻抗為 ，輸出阻抗為 ，由信號傳輸理論可知，如果輸入端和輸出端的阻抗不相等（這就是前面所提及的阻抗失配），高頻信號就會在輸入端產(chǎn)生反射，定義其反射系數(shù)為：

                                    （8）

            顯然， 和 相差越大 便越大，信號反射越大，高頻的干擾信號就越難通過。根據(jù)圖3（b）所示的二端口網(wǎng)絡(luò)模型的阻抗表達方式

                                 （9）

    得到

                （10）

     這樣，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù) , , , 就可以在一定的范圍內(nèi)使得阻抗失配。

        總的來說，濾波器的設(shè)計要遵循以下的原則：源內(nèi)阻是高阻抗的，則濾波器的輸入阻抗就應(yīng)該是低阻抗的，反之也同樣成立。

4、  EMI濾波器的元件選擇

4.1濾波電容的選擇

與一般的濾波器不同，圖1所示的EMI濾波器典型結(jié)構(gòu)中電容使用了兩種下標 ，和 ， 接于相線和中線之間，稱為差模電容， 接于相線或中線與地之間，稱為共模電容，下標X和Y不僅表明了它在濾波電路中的作用，還表明了它在濾波電路中的安全等級。在設(shè)計或選用濾波器時都必須充分考慮這兩類電容的安全性能，因為它直接關(guān)系到濾波網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

4.1.1差模電容器的選擇

指的是應(yīng)用于這樣的場合：當(dāng)電容失效后，不會導(dǎo)致電擊穿現(xiàn)象，不會危及人生安全。 除了要承受電源相線與中線的電壓之外，還要承受相線與中線之間各種干擾源的峰值電壓。根據(jù)差模電容應(yīng)用的最壞情況和電源斷開的條件， 電容器的安全等級又分為 和 兩個等級具體規(guī)定見表1。所以設(shè)計濾波器時應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合來選擇不同安全等級的電容器。            表1 差模電容的分類

若 的安全性能（即耐壓性能）欠佳，在上述的峰值電壓出現(xiàn)時，它有可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人生安全，但會使得濾波器的功能下降或喪失。通常EMI濾波器的差模電容必須經(jīng)過1500－1700V直流電壓1分鐘耐壓測試。

4.1.2共模電容及其漏電流控制

用于電子設(shè)備電源的EMI濾波器共模濾波性能常常受到共模電容 的制約。 電容即跨接在相線或中線與安全地之間的電容。接地的電流主要就是指流過共模電容 的電流，由于流過電容的電流由電源電壓，電源頻率和電容值共同決定，所以漏電流可以由下式估算：

                    （11）

其中 為 電源電壓， 為電源頻率。

    由于漏電流的大小對于人生安全至關(guān)重要，不同國家對不同電子設(shè)備接地漏電流都做了嚴格的規(guī)定。若對最大漏電流做出了規(guī)定，則可由（11）式可以求出最大允許接地電容值（即 電容的值）：

                   （12）

如GJB151A-97中規(guī)定，每根導(dǎo)線的線與地之間的電容值，對于50Hz的設(shè)備，應(yīng)小于 對于400Hz的設(shè)備，應(yīng)小于 ；對于負載小于0.5kW的設(shè)備，濾波電容量不應(yīng)超過 。標準中的規(guī)定除了要滿足（12）式外，還要求 電容在電氣和機械安全方面有足夠的余量，避免在極端惡劣的條件下出現(xiàn)擊穿短路的現(xiàn)象。因為這種電容要跟安全地相連，而設(shè)備的機殼也要跟安全地相連，所以這種電容的耐壓性能對保護人生安全有至關(guān)重要的作用，一旦設(shè)備或裝置的絕緣失效，可能危及到人的生命安全。因此 電容要進行1500－1700V交流耐壓測試1分鐘。

4.2濾波電感的選擇

電感的取值、材料的選取原則從以下幾個方面考慮：第一，磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證最高頻率在1GHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率；第二，磁導(dǎo)率高，但是在實際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁芯材料一般是鐵氧體或者鐵粉芯，更好的材料如微晶等。

5、  EMI濾波器應(yīng)用中應(yīng)注意的事項

EMI電源濾波器在應(yīng)用時一定得注意濾波器的安裝問題, 因為如果濾波器安裝得不合適反而會得到一個更差的效果。

a為了濾波器的安全可靠工作(散熱和濾波效果) , 除濾波器一定要安裝在設(shè)備的機架或機殼上外, 濾波器的接地點應(yīng)和設(shè)備機殼的接地點取得一致, 并盡量縮短濾波器的接地線。若接地點不在一處, 那么濾波器的泄漏電流和噪聲電流在流經(jīng)兩接地點的途徑時, 會將噪聲引入設(shè)備內(nèi)的其他部分。其次, 濾波器的接地線會引入感抗, 它能導(dǎo)致濾波器高頻衰減特性的變壞。所以, 金屬外殼的濾波器要直接和設(shè)備機殼連接。如外殼噴過漆, 則必須刮去漆皮； 若金屬外殼的濾波器不能直接接地或使用塑封外殼濾波器時, 它與設(shè)備機殼的接地線應(yīng)可能短。

b濾波器要安裝在設(shè)備電源線輸入端, 連線要盡量短; 設(shè)備內(nèi)部電源要安裝在濾波器的輸出端。若濾波器在設(shè)備內(nèi)的輸入線長了, 在高頻端輸入線就會將引入的傳導(dǎo)干擾耦合給其他部分。若設(shè)備內(nèi)部電源安裝在濾波器的輸入端, 由于連線過長, 也會導(dǎo)致同樣的結(jié)果。

c確保濾波器輸入線和輸出線分離。若濾波器輸入、輸入線捆扎在一起或相互安裝過近, 那么由于它們之間的耦合, 可能使濾波器的高頻衰減降低。若輸入、輸出線必須接近, 那么都必須采用雙絞線或屏蔽線。