EMI濾波器的設計原理

摘要：EMI濾波器能有效抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子儀器、計算機和測控系統的抗干擾能力及可靠性。詳細闡述了EMI濾波器的設計原理、典型應用及測試方法。

關(guān)鍵詞：電磁干擾 EMI濾波器 電源噪聲 測試 插入損耗

隨著(zhù)電子設計、計算機與家用電器的大量涌現和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續時(shí)間短、電壓振幅度高（幾百伏至幾千伏）、隨機性強，對微機和數字電路易產(chǎn)生嚴重干擾，常使人防不勝防，這已引起國內外電子界的高度重視。

電磁干擾濾波器（EMI Filter）是近年來(lái)被推廣應用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性，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。

1 電磁干擾濾波器的構造原理及應用

1.1 構造原理

電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導噪聲的頻譜大致為10kHz～30MHz，最高可達150MHz。根據傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是從電源進(jìn)線(xiàn)引入的外界干擾，另一類(lèi)是由電子設備產(chǎn)生并經(jīng)電源線(xiàn)傳導出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設備既是噪聲干擾的對象，又是一個(gè)噪聲源。若從形成特點(diǎn)看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線(xiàn)之間（簡(jiǎn)稱(chēng)線(xiàn)對線(xiàn)）的噪聲。共模干擾則是兩條電源線(xiàn)對大地（簡(jiǎn)稱(chēng)線(xiàn)對地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應符合電磁兼容性（EMC）的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線(xiàn)上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器就對串模、共模干擾都起到抑制作用。

1.2 基本電路及其典型應用

電磁干擾濾波器的基本電路如圖1所示。該五端器件有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，使用時(shí)外殼應接通大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱(chēng)共模電感）L、濾波電容C1～C4。L對串模干擾不起作用，但當出現共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線(xiàn)圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現很大的感抗，使之不易通過(guò)，故稱(chēng)作共模扼流圈。它的兩個(gè)線(xiàn)圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當有電流通過(guò)時(shí)，兩個(gè)線(xiàn)圈上的磁場(chǎng)就會(huì )互相加強。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，參見(jiàn)表1。需要指出，當額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線(xiàn)徑也要相應增大，以便能承受較大的電流。此外，適當增加電感量，可改善低頻衰減特性。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01μF～0.47μF,主要用來(lái)濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾。C3和C4亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200pF～0.1μF。為減小漏電流，電容量不得超過(guò)0.1μF，并且電容器中點(diǎn)應與大地接通。C1～C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。

圖2示出一種兩級復合式EMI濾波器的內部電路，由于采用兩級（亦稱(chēng)兩節）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對某些用戶(hù)現場(chǎng)存在重復頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問(wèn)題，國內外還開(kāi)發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱(chēng)群脈沖對抗器），能對上述干擾起到抑制作用。

2 EMI濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的應用

為減小體積、降低成本，單片開(kāi)關(guān)電源一般采用簡(jiǎn)易式單級EMI濾波器，典型電路圖3所示。圖（a）與圖（b）中的電容器C能濾除串模干擾，區別僅是圖（a）將C接在輸入端，圖（b）則接到輸出端。圖（c）、（d）所示電路較復雜，抑制干擾的效果更佳。圖（c）中的L、C1和C2用來(lái)濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進(jìn)線(xiàn)端L、N不帶電，保證使用的安全性。圖（d）則是把共模干擾濾波電容C3和C4接在輸出端。

EMI濾波器能有效抑制單片開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾。圖4中曲線(xiàn)a為加EMI濾波器時(shí)開(kāi)關(guān)電源上0.15MHz～30MHz傳導噪聲的波形（即電磁干擾峰值包絡(luò )線(xiàn)）。曲線(xiàn)b是插入如圖3（d）所示EMI濾波器后的波形，能將電磁干擾衰減50dBμV～70dBμV。顯然，這種EMI濾波器的效果更佳。

3 EMI濾波器的技術(shù)參數及測試方法

3.1 主要技術(shù)參數

EMI濾波器的主要技術(shù)參數有：額定電壓、額定電流、漏電流、測試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升Tr、插入損耗AdB、外形尺寸、重量等。上述參數中最重要的是插入損耗（亦稱(chēng)插入衰減），它是評價(jià)電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標。

插入損耗（AdB）是頻率的函數，用dB表示。設電磁干擾濾波器插入前后傳輸到負載上的噪聲功率分別為P1、P2,有公式：

AdB=10lg(P1/P2) (1)

假定負載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12/Z，P2=V2 2/Z。式中V1是噪聲源直接加到負載上的電壓，V2是在噪聲源與負載之間插入電磁干擾濾波器后負載上的噪聲電壓，且V2V1.代入（1）式中得到：

AdB=20lg(V1/V2) (2)

插入損耗用分貝（dB）表示，分貝值愈大，說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強。鑒于理論計算比較煩瑣且誤差較大，通常是由生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行實(shí)際測量，根據噪聲頻譜逐點(diǎn)測出所對應的插入損耗，然后繪出典型的插入損耗曲線(xiàn)，提供給用戶(hù)。圖5給出一條典型曲線(xiàn)。由力疔見(jiàn)，該產(chǎn)品可將1MHz～30MHz的噪聲電壓衰減65dB。

計算EMI濾波器對地漏電流的公式為：

ILD=2πfCVc （3）

式中，ILD為漏電流，f是電網(wǎng)頻率。以圖1為例，f=50Hz，C=C3+C4=4400pF，Vc是C3、C4上的壓降，亦即輸出端的對地電壓，可取Vc≈220V/2=110V。由（3）式不難算出，此時(shí)漏電流ILD=0.15mA。C3和C4若選4700pF，則C=4700pF×2=9400pF，ILD=0.32mA。顯然，漏電流與C成正比。對漏電流的要求是愈小愈好，這樣安全性高，一般應為幾百微安至幾毫安。在電子醫療設備中對漏電流的要求更為嚴格。

需要指出，額定電流還與環(huán)境溫度TA有關(guān)。例如國外有的生產(chǎn)廠(chǎng)家給出下述經(jīng)驗公式：

I=I1×[(85-TA)/45的根據2次方]

式中，I1是40℃時(shí)的額定電流。舉例說(shuō)明，當TA=50℃時(shí)，I=0.88I1；而當TA=25℃時(shí)，I=1.15I1。這表明，額定電流值隨溫度的降低而增大，這是由于散熱條件改善的緣故。

3.2 測量插入損耗的方法

測量插入損耗的電路如圖6所示。e是噪聲信號發(fā)生器，Zi是信號源的內部阻抗，ZL是負哉阻抗，一般取50Ω。噪聲頻率范圍可選10kHz～30MHz。首先要在不同頻率下分別測出插入前后負載上的噪聲壓降V1、V2，再代入（2）式中計算出每個(gè)頻率點(diǎn)的AdB值，最后繪出插入損耗曲線(xiàn)。需要指出，上述測試方法比較煩瑣，每次都要拆裝EMI濾波器。為此可用電子開(kāi)關(guān)對兩種測試電路進(jìn)行快速切換。