基于EMI濾波器設計中的干擾特性和阻抗特性的研究

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容性問(wèn)題成為電路設計工程師極為關(guān)注和棘手的問(wèn)題。 根據多年的工程經(jīng)驗，大家普遍認為電磁兼容性標準中最重要的也是最難解決的兩個(gè)項目就是傳導發(fā)射和輻射發(fā)射。為了滿(mǎn)足傳導發(fā)射限制的要求，通常使用電磁干擾(EMI)濾波器來(lái)抑制電子產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導噪聲。但是怎么選擇一個(gè)現有的濾波器或者設計一個(gè)能滿(mǎn)足需要的濾波器?工程師表現得很盲目，只有憑借經(jīng)驗作嘗試。首先根據經(jīng)驗使用一個(gè)濾波器，如果不能滿(mǎn)足要求再重新修改設計或者換另一個(gè)新的濾波器。因此，要找到一個(gè)合適的EMI濾波器就成為一個(gè)費時(shí)且高成本的任務(wù)。

電子系統產(chǎn)生的干擾特性

解決問(wèn)題首先要了解電子系統產(chǎn)生的總干擾情況，需要抑制多少干擾電壓才能滿(mǎn)足標準要求？共模干擾是多少，差模干擾是多少?只有明確了這些干擾特性我們才能根據實(shí)際的需要提出要求。

從被測物體的電流路徑來(lái)看，干擾信號回流路徑可能通過(guò)地線(xiàn)，或者通過(guò)其它電網(wǎng)，如圖1所示。通過(guò)地線(xiàn)的干擾電流在電源網(wǎng)上產(chǎn)生同相位的共模干擾電壓。通過(guò)其它線(xiàn)在兩根電源線(xiàn)上產(chǎn)生反相的差模干擾電壓。干擾電流的路徑如圖2所示。

圖1 干擾信號的回流路徑

圖2 a)差模干擾濾波和b)共模干擾濾波。

通常有四種技術(shù)可進(jìn)行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實(shí)際使用中，經(jīng)常是混合使用其中的兩種，甚至多種技術(shù)。它們是：正負極電源線(xiàn)之間添加電容，即X電容;每根電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間添加電容，即Y電容;共模抑制(兩根電源線(xiàn)上的抑制線(xiàn)圈同向繞線(xiàn));差模抑制(每根電源線(xiàn)有它自己的抑制線(xiàn)圈)。

電容的作用是將高頻干擾電壓“短路”，另外，當干擾信號頻率很高時(shí)，抑制線(xiàn)圈將產(chǎn)生很大的交流阻抗。圖2顯示了兩種濾波類(lèi)型的結構，其中，LISN是用于測量目的的線(xiàn)性阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )。如果是共模問(wèn)題引起的干擾，X類(lèi)型電容基本上沒(méi)有作用，因為兩線(xiàn)上的干擾電壓是一樣的。因此，了解干擾類(lèi)型對于選擇合理的電路結構將起重要作用，并為解決問(wèn)題提供技術(shù)依據。

在標準電磁兼容性測試實(shí)驗室可得到設備的總干擾情況，但無(wú)法了解設備的共模干擾和差模干擾特性。為了在測量中分辨共?；蛘卟钅８蓴_信號，通用的儀器是很難實(shí)現的。使用專(zhuān)用的傳導測試儀，可獲得設備的總干擾、共模干擾和差模干擾。測試結果如圖3所示。

圖3 傳統測試儀獲得的總干擾、共模干擾和差模干擾。電源輸入阻抗特性

濾波器的制造商給出的濾波器插損是在50W標準阻抗系統中的性能。眾所周知，電源的輸入阻抗隨著(zhù)頻率的變化具有不連續性。阻抗的改變導致濾波器的插損特性產(chǎn)生很大的變化。

由圖4可見(jiàn)，在一個(gè)50W的系統中，100mH的濾波器提供約18dB的衰減，但是在一個(gè)500W系統中只提供約4dB的衰減。 同樣對于100nF電容器;在50W系統中，1MHz時(shí)大約23dB的衰減在5W系統中降至7dB。

上面的例子說(shuō)明，選擇一個(gè)具有很高插損的濾波器也不能很好抑制傳導噪聲的原因是，電源輸入端阻抗的影響。因此，設計者除了選擇一個(gè)合適的濾波器之外，還需要了解電源的阻抗特性、共模阻抗和差模阻抗。阻抗測試可以借助專(zhuān)用的阻抗測試儀或者傳導分析儀。一種濾波器的共模阻抗(a)和差模阻抗(b)的變化如圖5所示。

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