EMI濾波器設(shè)計專題(-好)

1、EMI濾波器設(shè)計專題（華南理工大學電力學院AndrewZhang）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

2、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

3、模干擾則是一進一出。3、EMI濾波器設(shè)計3.1EMI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1EMI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

4、片，電流和磁通都沒有畫上去，見諒?。┊旊娋W(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I,由右手螺旋定則可知，兩個線圈產(chǎn)生的磁通（實線所示）ff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I和I在L1和L2中所產(chǎn)生的磁通如圖中111和（虛線所示），它們反向串連，磁通相互抵消，感抗為零。差模1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。3.2EMI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

5、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IL（InsertionLoss）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。V27V27)a)RL?V/S濾波器RLb)V27V27)V27V27)圖3EMI等效原理圖V27V27)V27V27)所以：PI=101ogL&P2其中P1VV22-1)IL=10logV22V20logV22)由圖3(a)可知VVSxR1R,RlSL圖3(b)是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸方程為3)又

6、因為有VAV-BI122ICV-DI1224)VV-IR1S1SV-IR22L5)由(2)(5)式可知VBSRA+CR+DfRsR6)所以V27V27)V27V27)=20log$20log2AR+B+CRR+DRLSLSR+RSL99)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)的電源線傳導干擾電平都有明確的規(guī)定，預估或測試獲得的EMI傳導干擾電平和標準傳導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，而后分析其傳導干擾

7、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滿足10kHz30MHz范圍內(nèi)插入損耗3060dB。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。3.3EMI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Z，輸出阻抗為Z，由信號傳輸理論可知，如果輸入端和輸12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)Z8)P二一21Z,Z21顯然，Z和Z相差越大P便越大，信號反射越大，高頻的干擾21信號就越難通過。根據(jù)

8、圖3(b)所示的二端口網(wǎng)絡(luò)模型的阻抗表達方式=ZI+ZI1111122=ZI+ZI2211222得到V-/1VT/2=12V-/1VT/2=12ZZTOC o 1-5 h z，Z12_21，L-iiZZCZD22LL（10）ZZDZB，Z42_2，S22ZZDZA11SS這樣，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)A,B,C,D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該是低阻抗的，反之也同樣成立。4、EMI濾波器的元件選擇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C，和C，C接于相線和中線之間，稱為差

9、模電容,XYXC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Y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。差模電容器的選擇C指的是應用于這樣的場合：當電容失效后，不會導致電擊穿X現(xiàn)象，不會危及人生安全。C除了要承受電源相線與中線的電壓之X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)差模電容應用的最壞情況和電源斷開的條件，C電容器的安全等級又分為XC和C兩個等級具體規(guī)定見表1。所以設(shè)計濾波器時應根據(jù)不同的X1X2應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CX電

10、容用于設(shè)備的峰應用場在電強度試驗期間所加的峰等級值電壓VP合值電壓VPCX1VP1.2kV出現(xiàn)瞬態(tài)浪涌峰值對C0.33uF,VP=4e(0.33C)kVCX2VP1.2kV般場合1.4kV若C的安全性能（即耐壓性能）欠佳，在上述的峰值電壓出現(xiàn)X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15001700V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C的制約。C電容即跨接在相線或中線與安全地之間的電容。接YY地的電流主要就是指流過共模電容C的電流，由于流過電

11、容的電流Y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：I，Vx2兀fxCx106（mA）（11）gmmY其中V為電源電壓，f為電源頻率。mm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C電容的值）：C=4.燈03（嚇）（12）YmaxVx2fmm如GJB151A-97中規(guī)定，每根導線的線與地之間的電容值，對于50Hz的設(shè)備，應小于0.1嚇;對于400Hz的設(shè)備，應小于0.02yF;對于負載小于0.5kW的設(shè)備，濾波電容量不應超過0.03嚇。標準中的規(guī)定除了要滿

12、足（12）式外，還要求C電容在電氣和機械安全方面有足夠的余Y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C電容要進行1500-1700V交Y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)定的磁導率；第二，磁導率高，但是在實際中很難滿足這一要求，所以，磁導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

13、的材料如微晶等。5、EMI濾波器應用中應注意的事項EMI電源濾波器在應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)備機殼的接地線應可能短。b濾波