電源噪聲濾波器的設計與實(shí)現

摘 要：分析了電源噪聲濾波器的基本原理，并對一個(gè)電源噪聲濾波器實(shí)例進(jìn)行了優(yōu)化設計，經(jīng)測試表明該濾波器對10 kHz以上的電網(wǎng)噪聲衰減效果能達到27dB，對1 MHz的噪聲衰減效果能達到80dB。

關(guān)鍵詞：電源噪聲，濾波器，設計，測試

Abstract: According to the basic elements of the Power Noise Filter, we optimize an example to prove its function. The result shows that that filter can weaken noise above 100 kHz by 27dB.

Keywords: Power Noise, Filter, Design, Test

0引言

現代社會(huì )中電子、電力電子、電氣設備的應用越來(lái)越廣泛，這些設備一方面既給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)它們在運行中所產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿(mǎn)了整個(gè)空間，形成復雜的電磁環(huán)境，使得對電子設備的電磁兼容性的要求也在不斷的提高?！?】

電子設備在電磁噪聲干擾的作用下有多種表現，在模擬電路中可以引起信號波形的畸變失真，信噪比變壞，嚴重時(shí)信號甚至會(huì )完全被電磁干擾所淹沒(méi)。噪聲干擾也會(huì )使得數字電路系統中的誤碼率上升，邏輯電平紊亂，降低系統信息的可靠性，極端情況下將導致失控或誤控操作的嚴重后果，危及到人身安全。

近年來(lái)推廣采用的抑制電網(wǎng)噪聲的電源噪聲濾波器技術(shù)，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、濾除噪聲效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠有效的抑制電網(wǎng)噪聲，增強電子設備對噪聲干擾的抗干擾能力。例如符合德國VDE標準的電源濾波器對30 kHz～30MHz范圍內的噪聲插入損耗能夠達到20～100dB。

1電源噪聲濾波器的基本結構及原理

電源噪聲屬于電磁干擾中的一種，其噪聲頻譜范圍一般是在10kHz到30MHz之間，最高噪聲頻率可達150MHz【2】。從示波器對電網(wǎng)電壓的直接觀(guān)測中可以明顯看出，市電并非是純凈的50Hz理想正弦波，而是在工頻上疊加了各種頻率噪聲干擾的正弦波。

從廣義范圍上來(lái)看，電源噪聲濾波器所起的作用相當于是一個(gè)由電感、電容組成的無(wú)源低通濾波器，它能夠將市電中的工頻部分無(wú)衰減地傳輸到后級電路中去，同時(shí)大幅度衰減或完全濾除由電源輸入端引入市電中的干擾噪聲，并能阻止電子設備產(chǎn)生的干擾噪聲通過(guò)電源線(xiàn)反串入電網(wǎng)中，污染了初級的電源環(huán)境。

不同結構形式的電源噪聲濾波器的主要區別在于電容與電感的連接方式不同，電路結構通常所采用的方式有π形、T形及L形，有些情況下還可以采用它們間的組合來(lái)增強濾波效果【3】。

電源噪聲濾波器的效率不僅要考慮其基本結構，而且還要進(jìn)一步考慮其所連網(wǎng)絡(luò )兩端的阻抗大小，并根據源阻抗及負載阻抗的不同依照阻抗最大失配原則來(lái)選擇正確的接法，兩者阻抗差別越大，濾波器的濾波效果也就越好?！?】

對于實(shí)際電網(wǎng)中存在的差模干擾和共模干擾兩種噪聲干擾，由于具有不同的干擾特點(diǎn)，電源噪聲濾波器中一般需要采用不同的結構來(lái)對兩種噪聲干擾分別進(jìn)行抑制。最基本的差模干擾濾波電路就是在扼流圈之前，即在相線(xiàn)和中線(xiàn)之間跨接電容。最基本的共模干擾濾波電路是在電源線(xiàn)的相線(xiàn)和中線(xiàn)上均串入扼流圈，而且分別通過(guò)接電容至地，如圖2(b)所示。

但是無(wú)論是對于共模濾波電路還是差模濾波電路，在設計中一般都要考慮設計成共軛濾波器的形式。因為這樣的結構對于工頻電壓來(lái)說(shuō)，任何時(shí)候電源線(xiàn)之間的電流都是大小相等，方向相反的，磁芯中的磁通相互抵消而不呈現阻抗，避免了因為濾波器的引入而在電源端產(chǎn)生附加的壓降。

2 電源噪聲濾波器的電路設計

電源噪聲濾波器最主要的性能參數就是濾波器的插入損耗，即插入電源噪聲濾波器后噪聲干擾的衰減程度，這也是在實(shí)際設計和使用電源噪聲濾波器中最需要考慮的因素之一。一般可以用電壓幅值的比值來(lái)計算表示插入損耗，其值越大，表示濾波器抑制噪聲干擾的能力越強。

電源噪聲濾波器在設計使用時(shí)另一項需要引起注意的參數是流過(guò)濾波器中漏電流的大小，出于安全角度的考慮，漏電流的值要盡可能的小。按照使用場(chǎng)所的不同，在可移動(dòng)設備上的濾波器的漏電流值應小于1mA，對于裝在固定位置且接地設備上的濾波器，漏電流值應小于3.5mA?！?】

按照電源噪聲濾波器的基本原理：

在設計中考慮到普通電源噪聲濾波器對浪涌電壓的抑制能力較差，特別是當浪涌電壓上升緩慢且寬度較大時(shí)，容易出現阻抗不匹配，使電感線(xiàn)圈達到磁飽和，所以在電源噪聲濾波器輸入端增加了一個(gè)壓敏電阻R1以抑制浪涌電壓（也可選用半導體材料浪涌電壓抑制管，效果會(huì )更好一些）。

電路的第一級是采用差模濾波電感LC1、LC2和差模濾波電容CX1組成的差模干擾濾除回路。由于差模電容CX1的作用，差模干擾電流將通過(guò)電容流回電源線(xiàn)而不流入電子設備中。在后級電路中為進(jìn)一步濾除殘余的差模干擾，又分別并聯(lián)兩個(gè)差模電容CX2、CX3以加強濾波效果。差模電容使用的類(lèi)型是陶瓷電容，考慮到其上的實(shí)際電壓值是額定交流電壓和電磁干擾峰值電壓的疊加值，因此要求差模電容有足夠高的耐壓值，一般不低于630VDC。電容容量值可按照所抑制的噪聲電壓頻率下限值來(lái)確定，其值越大，濾波器的插入損耗也就越大。

差模電感中鐵芯使用的是金屬粉壓磁芯，因為其初始磁導率受頻率影響小，高頻工作下?lián)p耗大，直流重疊特性好，大電流應用時(shí)電感量也不會(huì )大幅度下降，且適用頻率范圍較低。依流過(guò)電感的電流值不同，設計中的電感值可以取為幾mH～幾十mH。

為了加強對共模噪聲的抑制，后級電路中的共模濾波電路設計成了兩級相同的濾波結構，LD1、CY1、CY2和LD2、CY3、CY4。這樣做一方面可以使得共模干擾更加充分地被濾除，另外一方面使用兩級結構的濾波電路，可以使得電源噪聲濾波器內部保持在相對穩定的阻抗點(diǎn)上，減少負載及源阻抗對電源噪聲濾波器的影響，提高其對強噪聲干擾的抑制能力。

雖然兩級共模濾波電路的電路結構完全相同，但是兩者的元件參數選擇并不同，有所考慮的是通過(guò)選取合適的不同參數，使得電源噪聲濾波器對不同頻率范圍內的共模噪聲干擾都能兼顧取得良好的濾除效果。

電路的兩個(gè)共模扼流圈LD1和LD2，一般都選用損耗低且導磁率高的鐵氧體磁芯。主要是因為流過(guò)扼流圈中的共模電流的磁通方向相同，因此扼流圈對共模信號呈現較大的感抗，從而起到濾除共模信號的作用。共模扼流圈的電感值也需要按照濾波器的額定電流大小來(lái)考慮，適當增加電感值可以改善低頻噪聲端的衰減特性。

設計中共模電容的類(lèi)型仍是陶瓷電容，由于控制其值的大小，就可以控制流過(guò)濾波器中漏電流的大?。╇娏?， -電源頻率， -電源電壓）【6】，因此共模電容也就是在設計時(shí)控制流過(guò)電源噪聲濾波器漏電流的主要手段。一般為了減少漏電流，共模電容量不得超過(guò)0.1μF。

抑制低頻噪聲時(shí)，理論上電源濾波器的電感和電容的參數選的越大，濾波效果越好。但在實(shí)際應用中，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大電感的體積也越大，所以在設計時(shí)應權衡各種因素的影響，確定合適的參數。

差模部分的參數選擇可以在設計時(shí)先確定差模電容CX1的值，然后再根據截至頻率fO按照公式

來(lái)計算差模電感的取值。對于共模部分的參數選擇，可以先按照設計時(shí)漏電流的大小選定共模電容的取值，然后再按照下面的公式來(lái)計算共模電感的選值。

濾波電路參數選定后，必須驗證參數選取的是否合適，以保證電源噪聲濾波器的自諧振頻率遠小于所要濾除的噪聲頻率，否則電源噪聲濾波器不僅不能夠起到抑制噪聲干擾的作用，而且很有可能會(huì )放大噪聲干擾。當電感的等效電阻很小時(shí)，電源噪聲濾波器的自諧振頻率可以按照下式來(lái)大致計算。

3 電源噪聲濾波器的仿真分析

為了從理論上對濾波器進(jìn)行更加詳細的分析，在PSPISE環(huán)境下對上述設計的電源噪聲濾波器電路中差模噪聲的抑制能力進(jìn)行了仿真分析，仿真中所使用的元器件參數都是按照實(shí)際電路中的實(shí)測值來(lái)進(jìn)行的，并且設源阻抗和負載阻抗均為理想情況下的50Ω。

首先分析了電源噪聲濾波器差模衰減特性，即電源噪聲濾波器輸出信號電壓幅值隨輸入信號頻率的變化的衰減程度。仿真分析時(shí)使用的電壓值是市電的半峰值110V，電源噪聲濾波器對于50Hz左右處的工頻信號的衰減幅度很小，而濾波器的3DB點(diǎn)位置大概在180Hz處左右，當頻率上升到2KHz的時(shí)候，信號衰減已達20dB以上。

為了更加充分的說(shuō)明濾波器的濾波效果，對濾波電路進(jìn)行了在電源波動(dòng)情況下模擬噪聲輸入的仿真分析，按照實(shí)際的噪聲幅值，即在110V/50Hz的正弦波基礎上疊加了5V的50kHz、150kHz和1MHz的正弦波干擾作為被污染了的市電，對比輸入輸出波形，以觀(guān)察電源噪聲濾波器的輸出濾波效果。通過(guò)分析，可以在圖5的仿真結果中明顯看出輸入的噪聲干擾在輸出處基本上都被濾除了，但是輸入和輸出之間存在一定的相移，這可能是因為濾波器中存在非阻性元件引起的。

4 電源噪聲濾波器的實(shí)際測試結果分析

對設計的電源噪聲濾波器輸入頻率在10Hz～2 MHz之間幅值為20V（信號發(fā)生器的最大值）的正弦波，用Textronix－Tds220型示波器觀(guān)測輸出信號的變化，分析濾波器對差模噪聲抑制的效果。將測試后得到的數據繪制成圖，得到如圖6所示濾波器電路的實(shí)際頻響特性曲線(xiàn)。

分析實(shí)際測得的數據，在工頻處的信號衰減幅度不大，濾波電路的3DB點(diǎn)在370Hz左右，當頻率上升到10kHz時(shí)，輸出信號衰減了27dB，對1MHz差模噪聲干擾的衰減能達到80dB以上。將圖4和圖6的結果直接進(jìn)行比較，兩者大體上是吻合的。

對于實(shí)測截至頻率比理論值大的原因主要有兩點(diǎn)考慮：①實(shí)際元器件和理想器件相比有分布參數，電路板上布線(xiàn)也有分布參數，可以將部分輸入信號耦合到輸出端，所以頻響曲線(xiàn)向高頻端移動(dòng)；②測試電路時(shí)未將濾波器做屏蔽，而周?chē)h(huán)境中有許多電磁噪聲干擾的影響，使濾波器輸出的噪聲分量增加，導致測得數據偏大。

同時(shí)為了進(jìn)一步比較我們所設計的電源噪聲濾波器的濾波效果及性能，我們選用了市售的DENSEI-LAMBDA的MB1236型電源噪聲濾波器作為參考對象。

可以看出，市售的電源噪聲濾波器，其1MHz差模噪聲干擾的衰減為60dB，而本設計中濾波器對1MHz差模噪聲干擾的衰減能達到80dB以上，這表明本設計中的濾波器具有一定的比較優(yōu)勢?？梢悦黠@的看出，本設計中的濾波器的抑制范圍要比市售濾波器大的多，抑制效果也更加地明顯。

但是要將設計出來(lái)的電源噪聲濾波器投入實(shí)際的使用中，還要考慮到更多的因素。首先要用金屬將整個(gè)電源噪聲濾波器全部包起來(lái)，屏蔽外界的噪聲干擾，同時(shí)也能防止濾波器對外產(chǎn)生干擾，其次要將電源噪聲濾波器固定安裝在設備上，否則當內部導線(xiàn)晃動(dòng)時(shí)， 容易再次引入電磁干擾降低濾波性能，第三要盡量濾波器的接地點(diǎn)和設備取得一致，否則濾波器的泄漏電流和噪聲電流在流經(jīng)兩接地點(diǎn)的途徑時(shí)，會(huì )將噪聲引入設備內的其它部分。

為了達到較好的濾波效果，所設計的電源噪聲濾波器使用的電感值選取的比較大，對于實(shí)用化來(lái)說(shuō)是偏高了。如果要將電感值降低，并且同時(shí)不影響到濾波器的濾波效果的話(huà)，可以考慮在濾波器前端再增加一級隔離變壓器以增強濾波器的濾波能力，保證降低電感值時(shí)不會(huì )影響到濾波器對噪聲干擾的抑制能力。

5 結束語(yǔ)

本文分析了噪聲濾波器的基本原理，以及共模濾波電路和差模濾波電路的基本結構。通過(guò)PSPICE對所設計的濾波電路進(jìn)行了設計優(yōu)化，對所設計的濾波電路的測試結果表明濾波器有較強的濾波能力。對于10KHz的噪聲衰減效果能達到27dB，1MHz噪聲干擾的衰減能達到80dB以上，可廣泛用于電子測量?jì)x器、計算機機房設備、開(kāi)關(guān)電源、測控系統等領(lǐng)域。

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