電子設備電源EMI濾波器的原理和正確應用方法

差模電感線(xiàn)圈L3、L4與差模電容器CX構成交流進(jìn)線(xiàn)獨立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來(lái)抑制交流進(jìn)線(xiàn)上的差模干擾噪聲，防止電源設備受其干擾。

圖2所示的電源噪聲濾波器是無(wú)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(jiǎn)單的無(wú)源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用，從而在各種電子設備中獲得了廣泛應用。

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5、噪聲濾波器的主要設計原則

共模電感線(xiàn)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(cháng)，沒(méi)有間隙，用較少的圈數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(xiàn)圈泄漏磁通小，故當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)應考慮采用E形磁芯作成共模電感。

差模電感線(xiàn)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，在大電流應用時(shí)電感量也不會(huì )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(xiàn)兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會(huì )疊加交流進(jìn)線(xiàn)之間存在的各種EMI峰值電壓。所以該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高，同時(shí)要求該電容器失效后，不能危及后面電路及人身安全。CX電容器的安全等級又分為X1和X2兩類(lèi)，X1類(lèi)適用于一般場(chǎng)合，X2類(lèi)適用于會(huì )出現高的噪聲峰值電壓的應用場(chǎng)合。

共模電容CY接在交流電進(jìn)線(xiàn)與機殼地之間，要求它們在電氣和機械性能上，應有足夠大的安全余量，萬(wàn)一它們發(fā)生擊穿短路，將使設備機殼帶上危險的交流電，如設備的絕緣或接地保護失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對CY電容器的容量要進(jìn)行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規范值。另外還要求其應有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬(wàn)一發(fā)生電壓擊穿它應處于開(kāi)路狀態(tài)，而不會(huì )使設備機殼帶電。

綜上所述，在設計和選擇電網(wǎng)噪聲濾波器時(shí)，因為它們工作在高電壓、大電流、惡劣的電磁干擾環(huán)境中，首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對于電感線(xiàn)圈，其磁芯、繞線(xiàn)的材料，絕緣材料和絕緣距離、線(xiàn)圈溫升等都應予重視。對于電容器，其電容種類(lèi)、耐壓、安全等級、容量、漏電流等都應優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過(guò)國際安全機構安全認證的產(chǎn)品。

6、濾波器的安全性能參數

6.1濾波器與漏電流

電網(wǎng)濾波器漏電流定義為：在額定交流電壓下，濾波器外殼到交流進(jìn)線(xiàn)任一端的電流。如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的，則漏電流的值，主要取決于共模電容CY的漏電流，即主要取決于CY的容量。由于濾波器漏電流的大小，涉及到人身安全，國際上各國對此都有嚴格的標準規定。對于220V/50Hz 交流電網(wǎng)供電，一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。

6.2濾波器與試驗電壓

對于交流電網(wǎng)噪聲濾波器，試驗電壓分為兩種：一種是加在交流進(jìn)線(xiàn)兩端，即線(xiàn)—線(xiàn)試驗電壓。若電感線(xiàn)圈及引線(xiàn)是絕緣良好的，它主要取決于電容器CX的耐壓；另一種是加在交流進(jìn)線(xiàn)任一端與機殼地之間，即線(xiàn)—地試驗電壓。它主要取決于CY的耐壓。

漏電流和試驗電壓都是噪聲濾波器的安全性能參數，是濾波器中電感線(xiàn)圈、絕緣和電容器CX、CY安全性能的具體表現，并且與設備及人身安全緊密相關(guān)。因此在電網(wǎng)噪聲濾波器的設計、生產(chǎn)和使用中，都要特別加以重視，把這些技術(shù)參數的認證和檢驗放在首位。

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7、濾波器的技術(shù)參數及正確使用

（1）插入損耗是噪聲濾波器的重要技術(shù)參數之一，在設計和選用時(shí)應予主要考慮。在濾波器的安全、常規電氣性能、環(huán)境及機械等條件都滿(mǎn)足要求時(shí)，應盡量選擇插入損耗值大些。

插入損耗的定義如圖3所示，當沒(méi)接濾波器時(shí)，信號源輸出電壓為V1，當濾波器接入后，在濾波器輸出端測得信號源的電壓為V2。若信號源輸出阻抗與接收機輸入阻抗相等，都是50Ω，則濾波器的插入損耗為：IL=20log（V1/V2）（1）

因為電源噪聲濾波器能衰減共模和差模噪聲，所以它即有共模插入損耗，又有差模插入損耗。

但在實(shí)際選用濾波器時(shí)，應注意產(chǎn)品手冊給出的插入損耗曲線(xiàn)，都是按照標準規定，在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測得的。因為實(shí)際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內是50Ω，所以它對EMI信號的衰減，并不等于產(chǎn)品手冊中給出的插入損耗值。特別當使用安裝不當時(shí)，還會(huì )遠遠小于標準給定的插入損耗。

（2）電源噪聲濾波器是一種具有互易性的無(wú)源網(wǎng)絡(luò )。在實(shí)際應用中為使它有效地抑制噪聲應合理配接。按圖4所示組合來(lái)選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò )結構和參數，才能得到較好的EMI抑制效果。

當濾波器的輸出阻抗與負載阻抗不相等時(shí)，在此端口上會(huì )產(chǎn)生反射，兩個(gè)阻抗相差越大，端口產(chǎn)生的反射也越大。當濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時(shí)，則 EMI信號將在其輸入和輸出端都產(chǎn)生反射。這時(shí)電源濾波器對電磁干擾噪聲的衰減，就與濾波器固有的插入損耗和反射損耗有關(guān)，可利用這點(diǎn)更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實(shí)際設計和選擇使用EMI濾波器時(shí)，要注意濾波器阻抗的正確連接，以造成盡可能大的反射，使濾波器在很寬的頻率范圍內造成較大的阻抗失配，從而得到更好的電磁干擾抑制性能。

（3）在電源濾波器的實(shí)際應用中，要求其外殼與系統地之間有良好的電氣連接，且應使接地線(xiàn)盡量短，因為過(guò)長(cháng)的接地線(xiàn)會(huì )加大接地電阻和電感，而嚴重削減濾波器的共模抑制能力，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生公共接地阻抗耦合的問(wèn)題。如圖5所示，接地線(xiàn)過(guò)長(cháng)，則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過(guò)大，負載上電壓為：V0=VZ＋Vg=VZ＋（Ii－IO）Zg（2）式中：Ii為濾波器交流輸入電路的噪聲電流；IO為濾波器輸出電路的噪聲電流。