EMI濾波器基本原理及正確應用方法

　　1、前 言

　　隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、電力電子、電氣設備應用越來(lái)越廣泛，它們在運行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿(mǎn)整個(gè)空間，形成復雜的電磁環(huán)境。復雜的電磁環(huán)境要求電子設備及電源具有更高的電磁兼容性。于是抑制電磁干擾的技術(shù)也越來(lái)越受到重視。接地、屏蔽和濾波是抑制電磁干擾的三大措施，下面主要介紹在電源中使用的EMI濾波器及其基本原理和正確應用方法。

　　2、電源設備中噪聲濾波器的作用

　　電子設備的供電電源，如220V/50Hz交流電網(wǎng)或115V/400Hz交流發(fā)電機，都存在各式各樣的EMI噪聲，其中人為的EMI干擾源，如各種雷達、導航、通信等設備的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射信號，會(huì )在電源線(xiàn)上和電子設備的連接電纜上感應出電磁干擾信號，電動(dòng)旋轉機械和點(diǎn)火系統，會(huì )在感性負載電路內產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)程和輻射噪聲干擾；還有自然干擾源，比如雷電放電現象和宇宙中天電干擾噪聲，前者的持續時(shí)間短但能量很大，后者的頻率范圍很寬。另外電子電路元器件本身工作時(shí)也會(huì )產(chǎn)生熱噪聲等。

　　這些電磁干擾噪聲，通過(guò)輻射和傳導耦合的方式，會(huì )影響在此環(huán)境中運行的各種電子設備的正常工作。

　　另一方面，電子設備在工作時(shí)也會(huì )產(chǎn)生各種各樣的電磁干擾噪聲。比如數字電路是采用脈沖信號（方波）來(lái)表示邏輯關(guān)系的，對其脈沖波形進(jìn)行付里葉分析可知，其諧波頻譜范圍很寬。另外在數字電路中還有多種重復頻率的脈沖串，這些脈沖串包含的諧波更豐富，頻譜更寬，產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也更復雜。

　　各類(lèi)穩壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線(xiàn)性穩壓電源中，因整流而形成的單向脈動(dòng)電流也會(huì )引起電磁干擾；開(kāi)關(guān)電源具有體積小，效率高的優(yōu)點(diǎn)，在現代電子設備中應用越來(lái)越廣泛，但是因為它在功率變換時(shí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身就是很強的EMI噪聲源，其產(chǎn)生的EMI噪聲既有很寬的頻率范圍，又有很高的強度。這些電磁干擾噪聲也同樣通過(guò)輻射和傳導的方式污染電磁環(huán)境，從而影響其它電子設備的正常工作。

　　對電子設備來(lái)說(shuō)，當EMI噪聲影響到模擬電路時(shí)，會(huì )使信號傳輸的信噪比變壞，嚴重時(shí)會(huì )使要傳輸的信號被EMI噪聲所淹沒(méi)，而無(wú)法進(jìn)行處理。當EMI噪聲影響到數字電路時(shí)，會(huì )引起邏輯關(guān)系出錯，導致錯誤的結果。

　　對于電源設備來(lái)說(shuō)，其內部除了功率變換電路以外，還有驅動(dòng)電路、控制電路、保護電路、輸入輸出電平檢測電路等，電路相當復雜。這些電路主要由通用或專(zhuān)用集成電路構成，當受電磁干擾而發(fā)生誤動(dòng)作時(shí)，會(huì )使電源停止工作，導致電子設備無(wú)法正常工作。采用電網(wǎng)噪聲濾波器可有效地防止電源因外來(lái)電磁噪聲干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

　　另外，從電源輸入端進(jìn)入的EMI噪聲，其一部分可出現在電源的輸出端，它在電源的負載電路中會(huì )產(chǎn)生感應電壓，成為電路產(chǎn)生誤動(dòng)作或干擾電路中傳輸信號的原因。這些問(wèn)題同樣也可用噪聲濾波器來(lái)加以防止。

　　在電源設備中采用噪聲濾波器的作用如下：

　?。?）防止外來(lái)電磁噪聲干擾電源設備本身控制電路的工作；

　?。?）防止外來(lái)電磁噪聲干擾電源的負載的工作；

　?。?）抑制電源設備本身產(chǎn)生的EMI；

　?。?）抑制由其它設備產(chǎn)生而經(jīng)過(guò)電源傳播的EMI。

　　開(kāi)關(guān)電源本身在工作時(shí)以及電子設備處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)時(shí)，都會(huì )在電源設備的輸入端出現終端噪聲，產(chǎn)生輻射及傳導干擾，也會(huì )進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它的電子設備，所以必須采取有效措施加以抑制。在抑制EMI噪聲的輻射干擾方面，電磁屏蔽是最好的方式。而在抑制EMI噪聲的傳導干擾方面，采用EMI濾波器是很有效的手段，當然應配合良好的接地措施。

　　在國際上各個(gè)國家都實(shí)行了嚴格的電磁噪聲限制規則，如美國有FCC，德國有FTZ，VDE等標準。如電子設備不滿(mǎn)足噪聲限制規則，則產(chǎn)品就不能出售和使用。

　　由于上述種種原因，在電源設備中必須要設計使用滿(mǎn)足要求的電網(wǎng)噪聲濾波器。

　　3、EMI噪聲和濾波器的類(lèi)型

　　在電源設備輸入引線(xiàn)上存在二種EMI噪聲：共模噪聲和差模噪聲，如圖1所示。把在交流輸入引線(xiàn)與地之間存在的EMI噪聲叫作其共模噪聲，它可看作為在交流輸入線(xiàn)上傳輸的電位相等、相位相同的干擾信號，即圖1的電壓V1 和V2。而把交流輸入引線(xiàn)之間存在的EMI噪聲叫作差模噪聲，它可看作為在交流輸入線(xiàn)傳輸的相位差180°的干擾信號，即圖1中的電壓V3。共模噪聲是從交流輸入線(xiàn)流入大地的干擾電流，差模噪聲是在交流輸入線(xiàn)之間流動(dòng)的干擾電流。對任何電源輸入線(xiàn)上的傳導EMI噪聲，都可以用共模和差模噪聲來(lái)表示，并且可把這二種EMI噪聲看作獨立的EMI源來(lái)分別抑制。

　　在對電磁干擾噪聲采取抑制措施時(shí)，主要應考慮抑制共模噪聲，因為共模噪聲在全頻域特別在高頻域占主要部分，而在低頻域差模噪聲占比例較大，所以應根據EMI噪聲的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)選擇適當的EMI濾波器。

　　電源用噪聲濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線(xiàn)圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印制板上安裝電感線(xiàn)圈、電容器等，構成抑制噪聲濾波器。到底采用哪種形式要根據成本、特性、安裝空間等來(lái)確定。一體化式成本高，特性較好，安裝靈活；分立式成本較低，但屏蔽不好，可自由分配在印制板上。

　　4、噪聲濾波器的基本結構

　　電源EMI噪聲濾波器是一種無(wú)源低通濾波器，它無(wú)衰減地將交流電傳輸到電源，而大大衰減隨交流電傳入的EMI噪聲；同時(shí)又能有效地抑制電源設備產(chǎn)生的EMI噪聲，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設備。

　　單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結構如圖2所示。它是由集中參數元件組成的四端無(wú)源網(wǎng)絡(luò )，主要使用的元件是共模電感線(xiàn)圈L1、L2，差模電感L3、L4，以及共模電容CY1、CY2和差模電容器CX。若將此濾波器網(wǎng)絡(luò )放在電源的輸入端，則L1 與CY1及L2與CY2分別構成交流進(jìn)線(xiàn)上兩對獨立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進(jìn)線(xiàn)上存在的共模干擾噪聲，阻止它們進(jìn)入電源設備。共模電感線(xiàn)圈用來(lái)衰減交流進(jìn)線(xiàn)上的共模噪聲，其中L1和L2一般是在閉合磁路的鐵氧體磁芯上同向卷繞相同匝數，接入電路后在L1、L2兩個(gè)線(xiàn)圈內交流電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通飽和，又使這兩個(gè)線(xiàn)圈的電感值在共模狀態(tài)下較大，且保持不變。