開關(guān)電源EMI濾波器的正確選擇與使用

1、開關(guān)電源濾波器的正確選擇與使用 插入損耗和濾波電路的選擇 在用戶選擇濾波器時，最關(guān)心插入損耗性能。但是，往往插入損耗相近的濾波器，在實際運用中效果相差甚遠。究其主要原因是，相近插入損耗的濾波器可由不同的電路實現(xiàn)。這和理論分析是吻合的，因為插入損耗本身是個多解函數(shù)。 所以，選擇濾波器時首先應(yīng)選擇適合你所用的濾波電路和插入損耗性能。要做到這一點，就要求了解所使用電源的等效噪聲源阻抗和所需要對噪聲的抑制能力。這符合“知己知彼，百戰(zhàn)百殆”的客觀規(guī)律。 那么濾波電路和電源等效噪聲之間存在什么樣的關(guān)系呢？ 眾所周知，濾波器是由、構(gòu)成的低通器件。為了在阻帶內(nèi)獲得最大衰減，濾波器輸入端和輸出端的阻抗需與之連接

2、的噪聲源阻抗相反，即對低阻抗噪聲源，濾波器需為高阻抗（大的串聯(lián)電感）；對高阻抗噪聲源，濾波器就需為低阻抗（大的并聯(lián)電容）。對于濾波器，這些原則應(yīng)用于共模和差模中。 如按此原則選用的濾波器，在實際運用中仍存在效果相差很多的現(xiàn)象，特別發(fā)生在重載和滿載的情況下。造成這一問題的主要原因可能是濾波器中的電感器件在重載和滿載時，產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，致使電感量迅速下降，導致插入損耗性能大大變壞。其中尤以有差模電感的濾波器為多。因差模電感要流過電源火線或零線中的全部工作電流，如果差模電感設(shè)計不當，電流一大，就很容易飽和。當然也不排除共模扼流圈，因生產(chǎn)工藝水平較差，兩個繞組不對稱，造成在重載或滿載時產(chǎn)生磁飽和的可能。

3、差模濾波電路 由于開關(guān)電源的開關(guān)頻率諧波噪聲源阻抗為低阻抗，所以與之相對應(yīng)的濾波器輸出端應(yīng)是高阻抗串聯(lián)大電感。 電網(wǎng)火線和零線之間是低阻抗，所以與之對應(yīng)的濾波器輸入端也應(yīng)是高阻抗串聯(lián)大電感。如果想再進一步抑制差模噪聲，可以在濾波器輸入端并接線間電容，條件是它的阻抗要比電網(wǎng)火線、零線之間的阻抗還要低得多。 開關(guān)電源工頻諧波噪聲源阻抗是高阻抗，所以與之相對應(yīng)的濾波器輸出端應(yīng)是低阻抗并聯(lián)大電容。 合成的差模濾波電路參見圖。 最后，完整的共、差模濾波電路參見圖。根據(jù)要求插入損耗，可求出濾波電路的、x、y的值。如果單環(huán)電路的插入損耗不能滿足要求時，應(yīng)該選擇雙環(huán)電路。 1.2交流三相濾波電路 交流三相濾波

4、電路又分為三相三線制和三相四線制兩種。 典型的單環(huán)三相三線制濾波電路如圖所示；典型的雙環(huán)三相三線制濾波電路如圖所示雙環(huán)三相三線制濾波電路 比較圖三相中的每一相電路即每相對地電路和典型單相電路就不難發(fā)現(xiàn)，其共模電路三相采用型電路，單相采用型電路；而差模電路三相的輸出端有x電容，單相的輸出端無x電容。 對比雙環(huán)單相和三相三線制濾波電路（圖）不難發(fā)現(xiàn)，三相中的每一相電路和單相電路完全一樣。 典型單環(huán)有差模電感的三相三線制濾波電路如圖所示。大家可以和單環(huán)有差模電感的單相濾波電路相比較。比較三相中的每一相電路即每相對中線電路和單相電路，同樣差模電路三相的輸出端有x電容。對地的共模電路三相采用型電路，但區(qū)

5、別的是y電容對每相來講是公用的。 1.3直流濾波電路 為了抑制開關(guān)電源對其電流負載產(chǎn)生共模、差模干擾，開關(guān)電源直流輸出端往往使用直流濾波器，它的典型電路如圖顯然，這是一個共模扼流圈的典型單環(huán)濾波電路。根據(jù)電路特點，它只適用于直流輸出端對地對稱的電源電路。如果直流輸出是非對地對稱電路，則只能采用圖所示的電路。該電路為采用二級差模電感電路。如果插入損耗允許，當然也可采用一級差模電感電路。額定電流與環(huán)境溫度 濾波器一般采用高導磁率軟磁材料錳鋅鐵氧體，初始導磁率i，但其居里點溫度不高，優(yōu)質(zhì)的僅為左右。導磁率越高，居里點溫度越低，典型曲線如圖所示。 除特殊說明外，濾波器說明書給出的額定電流均指室溫的值；

6、同樣，給出的典型插入損耗或曲線也均指室溫的值。隨著環(huán)境溫度的升高，主要由電感導線的損耗、磁芯損耗以及周圍環(huán)境溫度等原因?qū)е聹囟雀哂谑覝?，結(jié)果難于確保插入損耗的性能，甚至燒壞濾波器。由于濾波電容的最高工作溫度受到限制也是。我們應(yīng)該根據(jù)實際可能的最大工作電流和工作環(huán)境溫度來選擇濾波器額定電流。居里點溫度曲線 圖11 額定電流與溫度的關(guān)系 工作電流、額定電流與環(huán)境溫度之間存在如下關(guān)系：式中：p容許的最大工作電流； 室溫時的額定電流； max容許的最高工作溫度，； a環(huán)境溫度； 室溫（）。 也可用曲線表示（參見圖）。曲線表示p/IRa。 舉例說明： pIR；+45 Ip=0.816IR； p=0.5I

7、R；+85 p.0 因此，要根據(jù)工作溫度來正確選擇濾波器的額定電流；或者用改善濾波器的散熱條件（工作環(huán)境）來確保濾波器的安全使用。這樣，濾波器務(wù)必安裝在有散熱作用的機架、機殼上，切忌安裝在絕緣材料上。 耐壓、泄漏電流與安全 3.1耐壓與安全 由于濾波器安裝在電網(wǎng)的輸入端，所以除了承受開關(guān)電源（濾波器的負載）產(chǎn)生的尖峰脈沖干擾電壓外，還要承受來自電網(wǎng)的浪涌電壓（電流），特別是浪涌電壓，其持續(xù)時間長（ms級），能量大（伏浪涌電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的）。這些干擾電壓由濾波器的x、y承受。因此，要求使用專為濾波器設(shè)計的x、y。目前，據(jù)了解，因內(nèi)尚沒有這類電容器生產(chǎn)廠家。電容x或y被浪涌電壓擊穿產(chǎn)生的后果，是x

8、被擊穿短路，相當于電網(wǎng)被短路，至少造成設(shè)備停止工作；y擊穿短路，相當于將電網(wǎng)的電壓加到設(shè)備的外殼，它直接威脅人身安全的同時，波及所有與金屬外殼為參考地的電路安全，往往導致某些電路的燒毀。 國際上，耐壓的安全規(guī)范各主要工業(yè)國家有所區(qū)別，表供參考。德國 VDE 0565.1 /0565.2 /0565.3 /4,3 · Vn 1.5 /50 /P P.NE 1500 /2000 /100 /100 瑞士 SEV 1055.1978 /4,3 · Vn 2·Un+1,5/50 P P.NE 6000 /100 瑞典 4432901/4,3 · Vn /2

9、83;Un+1,5 /0 /50 P P.NE 6000 /100 /英國 BS 613 /BS 2135 /4,3 · Vn /1.5 /2.25 /0 /50 /0 P P.NE 20 /100 加拿大 CSA C 22.2/No.8-M1982 /(2Vn+0.5)1,4/4 /1，414 /2Vn+1 /0 /60 P P.NE 6000/N /N=number /Cond.11 /100 美國 UL 1283 /1,0 /1,414 /1,0 /1,414 /60 /0 /60 /0 /P P.NE 2 /- /250舉例說明： 德國VDE0565.2高壓測試（），1.5分

10、鐘 瑞士SEV1055高壓測試（），·n1.5分鐘 如最大工作電壓n（），則·n1.5 美國高壓測試（），分鐘 可見共模電容y的耐壓測試條件（瑞士）比（美）高出1倍。 德國0565.1高壓測試（）4.5n分鐘 如最大工作電壓n（）則 4.3·n4.3×0.250×2根號3.040分鐘 瑞士高壓測試（）.3n分鐘 美國高壓測試（）1.414分鐘 可見，差電模電容x的耐壓測試條件，瑞士也比美國高出一倍左右。 這里要說明的是 a.耐壓測試采用直流電壓的原因是因為x容量較大。如采用交流測試，則耐壓測試儀要求電流容量大，造成成本高，體積大。采用直流電壓測

11、試就不存在這種問題。但要將交流工作電壓換成等效的直流工作電壓。如最大交流工作電壓（）×2根號（）直流工作電壓。所示安全規(guī)范（）·n。 b.國際著名濾波器專業(yè)廠說明書中耐壓測試條件 美國Corcom公司，（）分鐘 （）分鐘 瑞士chaffner公司，（）分鐘 不測分鐘 國內(nèi)濾波器專業(yè)廠一般參考德國安規(guī)或參考美國安規(guī)。 .2泄漏電流與安全 任何典型濾波器電路的共模電容y都有一端接金屬機殼。從分壓角度看，濾波器金屬外殼都帶有額定工作電壓，如工作（），那么外殼帶有（）電壓。因此，從安全角度出發(fā)，濾波器通過y到地端的泄漏電流要盡可能的小，否則將危及人身安全。圖描述了一路泄漏電流通過人

12、體構(gòu)成大地回路的情況（圖中表示濾波器的接地點，表示機架的接地點）。對地電容應(yīng)為和雜散電容之和。實際上，通過人體的泄漏電流是兩路，所以濾波器泄漏電流應(yīng)為一路泄漏電流的兩倍。設(shè)備中使用的濾波器愈多，泄漏電流也愈大。因此，千萬要加以注意。圖12 泄漏電流通過人體示意圖 同樣，國際上泄漏電流的安全規(guī)范，各主要工業(yè)國家也有所區(qū)別，表供參考。表  泄漏電流的安全規(guī)范 國家 安規(guī)名稱 對于一級絕緣的設(shè)備，泄漏電流的極限值 美國UL478 /UL1283 5mA,120V,60Hz;  0.53.5mA,120V,60Hz 加拿大 /C22.2 No.1/5mA,120

13、V,60Hz 瑞士 SEV 1054-1/ IEC 335-1 /0.75mA,250V,50Hz 德國 VDE 0804 /3.5mA,250V,50Hz 這里要說明的是： a.泄漏電流直接和電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率成正比。因此，對于電網(wǎng)頻率要特別注意，否則在相同電網(wǎng)電壓的情況下，同一濾波器的泄漏電流要增加倍（對于），很可能不符合安規(guī)要求。 b.在檢驗濾波器泄漏電流時，一定要采用符合國際規(guī)范的測量電路（如圖所示）。測量時，濾波器金屬外殼不能接地，一定要懸浮。 c.三相濾波器的泄漏電流應(yīng)是各相泄漏電流之和。圖13 國際規(guī)范的泄漏電流測量電路 正確安裝方法 a.為了濾波器的安全可靠工作（散熱和濾波效果

14、），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)可能的短。   （a）不正確的安裝方法 （b）正確的安裝方法 圖14 濾波器的安裝方法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干擾耦合給其他部分（參見圖）。若設(shè)備內(nèi)部電源安裝在濾波器的輸入端，