電源噪聲濾波器的基本原理與應(yīng)用方法

電源噪聲濾波器的基本原理與應(yīng)用方法

1引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、電力電子、電氣設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它們?cè)谶\(yùn)行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿整個(gè)空間，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。復(fù)雜的電磁環(huán)境要求電子設(shè)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(yīng)用方法。

2電源設(shè)備中噪聲濾波器的作用

電子設(shè)備的供電電源，如220V/50Hz交流電網(wǎng)或115V/400Hz交流發(fā)電機(jī)，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(dá)、導(dǎo)航、通信等設(shè)備的無(wú)線電發(fā)射信號(hào)，會(huì)在電源線上和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號(hào)，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械和點(diǎn)火系統(tǒng)，會(huì)在感性負(fù)載電路內(nèi)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(xiàn)象和宇宙中天電干擾噪聲，前者的持續(xù)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(dǎo)耦合的方式，會(huì)影響在此環(huán)境中運(yùn)行的各種電子設(shè)備的正常工作。

另一方面，電子設(shè)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(shù)字電路是采用脈沖信號(hào)（方波）來(lái)表示邏輯關(guān)系的，對(duì)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(shù)字電路中還有多種重復(fù)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(fù)雜。

各類穩(wěn)壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線性穩(wěn)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；開關(guān)電源具有體積小，效率高的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電子設(shè)備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是因?yàn)樗诠β首儞Q時(shí)處于開關(guān)狀態(tài)，本身就是很強(qiáng)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(qiáng)度。這些電磁干擾噪聲也同樣通過(guò)輻射和傳導(dǎo)的方式污染電磁環(huán)境，從而影響其它電子設(shè)備的正常工作。

對(duì)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，當(dāng)EMI噪聲影響到模擬電路時(shí)，會(huì)使信號(hào)傳輸?shù)男旁氡茸儔模瑖?yán)重時(shí)會(huì)使要傳輸?shù)男盘?hào)被EMI噪聲所淹沒(méi)，而無(wú)法進(jìn)行處理。當(dāng)EMI噪聲影響到數(shù)字電路時(shí)，會(huì)引起邏輯關(guān)系出錯(cuò)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

對(duì)于電源設(shè)備來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部除了功率變換電路以外，還有驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路、輸入輸出電平檢測(cè)電路等，電路相當(dāng)復(fù)雜。這些電路主要由通用或?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路構(gòu)成，當(dāng)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(dǎo)致電子設(shè)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。

圖1電磁干擾信號(hào)示意圖

圖2電源濾波器的基本電路圖

另外，從電源輸入端進(jìn)入的EMI噪聲，其一部分可出現(xiàn)在電源的輸出端，它在電源的負(fù)載電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，成為電路產(chǎn)生誤動(dòng)作或干擾電路中傳輸信號(hào)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(shè)備中采用噪聲濾波器的作用如下：

（1）防止外來(lái)電磁噪聲干擾電源設(shè)備本身控制電

路的工作；

（2）防止外來(lái)電磁噪聲干擾電源的負(fù)載的工作；

（3）抑制電源設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI；

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

開關(guān)電源本身在工作時(shí)以及電子設(shè)備處于開關(guān)工作狀態(tài)時(shí)，都會(huì)在電源設(shè)備的輸入端出現(xiàn)終端噪聲，產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾，也會(huì)進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它的電子設(shè)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(dǎo)干擾方面，采用EMI濾波器是很有效的手段，當(dāng)然應(yīng)配合良好的接地措施。

在國(guó)際上各個(gè)國(guó)家都實(shí)行了嚴(yán)格的電磁噪聲限制規(guī)則，如美國(guó)有FCC，德國(guó)有FTZ，VDE等標(biāo)準(zhǔn)。如電子設(shè)備不滿足噪聲限制規(guī)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(shè)備中必須要設(shè)計(jì)使用滿足要求的電網(wǎng)噪聲濾波器。

3EMI噪聲和濾波器的類型

在電源設(shè)備輸入引線上存在二種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上傳輸?shù)碾娢幌嗟?、相位相同的干擾信號(hào)，即圖1的電壓V1和V2。而把交流輸入引線之間存在的EMI噪聲叫作差模噪聲，它可看作為在交流輸入線傳輸?shù)南辔徊?80°的干擾信號(hào)，即圖1中的電壓V3。共模噪聲是從交流輸入線流入大地的干擾電流，差模噪聲是在交流輸入線之間流動(dòng)的干擾電流。對(duì)任何電源輸入線上的傳導(dǎo)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(dú)立的EMI源來(lái)分別抑制。

在對(duì)電磁干擾噪聲采取抑制措施時(shí)，主要應(yīng)考慮抑制共模噪聲，因?yàn)楣材Ｔ肼曉谌l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(yīng)根據(jù)EMI噪聲的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腅MI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圈、電容器等，構(gòu)成抑制噪聲濾波器。到底采用哪種形式要根據(jù)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(jié)構(gòu)

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?shù)诫娫?，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(shè)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(shè)備。

單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由集中參數(shù)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(gòu)成交流進(jìn)線上兩對(duì)獨(dú)立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進(jìn)線上存在的共模干擾噪聲，阻止它們進(jìn)入電源設(shè)備。共模電感線圈用來(lái)衰減交流進(jìn)線上的共模噪聲，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(shù)，接入電路后在L1、L2兩個(gè)線圈內(nèi)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)線圈的電感值在共模狀態(tài)下較大，且保持不變。

差模電感線圈L3、L4與差模電容器CX構(gòu)成交流進(jìn)線獨(dú)立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來(lái)抑制交流進(jìn)線上的差模干擾噪聲，防止電源設(shè)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(dāng)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(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。

5噪聲濾波器的主要設(shè)計(jì)原則

共模電感線圈使用的磁芯有環(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(zhǎng)，沒(méi)有間隙，用較少的圈數(shù)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形磁芯的線圈泄漏磁通小，故當(dāng)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(yīng)考慮采用E形磁芯作成共模電感。

差模電感線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(yīng)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?cè)跒V波器中的作用不同，還有不同的安全等級(jí)要求，因此其性能參數(shù)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(jí)又分為X1和X2兩類，X1類適用于一般場(chǎng)合，X2類適用于會(huì)出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。

共模電容CY接在交流電進(jìn)線與機(jī)殼地之間，要求它們?cè)陔姎夂?a target="_blank">機(jī)械性能上，應(yīng)有足夠大的安全余量，萬(wàn)一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機(jī)殼帶上危險(xiǎn)的交流電，如設(shè)備的絕緣或接地保護(hù)失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對(duì)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(guī)范值。另外還要求其應(yīng)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(yīng)處于開路狀態(tài)，而不會(huì)使設(shè)備機(jī)殼帶電。

綜上所述，在設(shè)計(jì)和選擇電網(wǎng)噪聲濾波器時(shí)，因?yàn)樗鼈児ぷ髟诟唠妷骸⒋箅娏?、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(duì)于電感線圈，其磁芯、繞線的材料，絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應(yīng)予重視。對(duì)于電容器，其電容種類、耐壓、安全等級(jí)、容量、漏電流等都應(yīng)優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過(guò)國(guó)際安全機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證的產(chǎn)品。

6濾波器的安全性能參數(shù)

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(guó)際上各國(guó)對(duì)此都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對(duì)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(yàn)電壓

對(duì)于交流電網(wǎng)噪聲濾波器，試驗(yàn)電壓分為兩種：一種是加在交流進(jìn)線兩端，即線—線試驗(yàn)電壓。若電感線圈及引線是絕緣良好的，它主要取決于電容器CX的耐壓；另一種是加在交流進(jìn)線任一端與機(jī)殼地之間，即線—地試驗(yàn)電壓。它主要取決于CY的耐壓。

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

7濾波器的技術(shù)參數(shù)及正確使用

（1）插入損耗是噪聲濾波器的重要技術(shù)參數(shù)之一，在設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)予主要考慮。在濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機(jī)械等條件都滿足要求時(shí)，應(yīng)盡量選擇插入損耗值大些。

插入損耗的定義如圖3所示，當(dāng)沒(méi)接濾波器時(shí)，信號(hào)源輸出電壓為V1，當(dāng)濾波器接入后，在濾波器輸出端測(cè)得信號(hào)源的電壓為V2。若信號(hào)源輸出阻抗與接收機(jī)輸入阻抗相等，都是50Ω，則濾波器的插入損耗為：

IL=20log(V1/V2）(1)

圖3插入損耗的定義

圖4濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇

圖5公共阻抗耦合的等效電路

因?yàn)殡娫丛肼暈V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(yīng)注意產(chǎn)品手冊(cè)給出的插入損耗曲線，都是按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測(cè)得的。因?yàn)閷?shí)際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內(nèi)是50Ω，所以它對(duì)EMI信號(hào)的衰減，并不等于產(chǎn)品手冊(cè)中給出的插入損耗值。特別當(dāng)使用安裝不當(dāng)時(shí)，還會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用中為使它有效地抑制噪聲應(yīng)合理配接。按圖4所示組合來(lái)選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，才能得到較好的EMI抑制效果。

當(dāng)濾波器的輸出阻抗與負(fù)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(dāng)濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時(shí)，則EMI信號(hào)將在其輸入和輸出端都產(chǎn)生反射。這時(shí)電源濾波器對(duì)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(shè)計(jì)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(nèi)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(yīng)用中，要求其外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接，且應(yīng)使接地線盡量短，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的接地線會(huì)加大接地電阻和電感，而嚴(yán)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，接地線過(guò)長(zhǎng)，則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過(guò)大，負(fù)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。

由式（2）可知，電磁干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器衰減后，在輸出端的噪聲電流大大小于輸入端的噪聲電流，即公共接地阻抗引起的壓降(Ii－IO)Zg將很大，在Zg上將產(chǎn)生一個(gè)很高的電磁干擾電壓，經(jīng)過(guò)公共接地回路耦合到濾波器的輸出端，從而大大減弱噪聲濾波器對(duì)EMI噪聲的抑制能力。

減小公共阻抗耦合的最好方法，就是借助設(shè)備的電磁屏蔽，把噪聲濾波器的輸入端與輸出端隔離開，同時(shí)濾波器的接地線要盡量短，這樣既把濾波器輸入與輸出端間存在的電磁耦合降到最低程度，又不破壞設(shè)備的屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁干擾噪聲的抑制作用。

理想的電源噪聲濾波器安裝方式如圖6所示。

（4）綜上所述，電源噪聲濾波器的使用應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

①濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備交流電入口處安裝，應(yīng)使未經(jīng)過(guò)濾波器的交流進(jìn)線在設(shè)備內(nèi)盡量短；

②濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短，以免引線感抗和容抗在較低頻率上產(chǎn)生諧振；

③濾波器接地線上有大的電流流過(guò)，會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，應(yīng)對(duì)濾波器進(jìn)行良好的屏蔽和接地；

④濾波器的輸入線和輸出線不能捆扎在一起，布線時(shí)盡量增大其間距離，以減小它們之間的耦合，可加隔板或屏蔽層。

圖6濾波器的正確安裝方法

8結(jié)語(yǔ)

電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)和選用，主要依據(jù)噪聲干擾特性和系統(tǒng)電磁兼容性的要求，在了解電磁干擾的頻率范圍，估計(jì)干擾的大致量級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。首先要了解濾波器的使用環(huán)境(使用電壓、負(fù)載電流、環(huán)境溫濕度、振動(dòng)沖擊、安裝方式和位置等)，要重點(diǎn)考慮其安全性能參數(shù)，因?yàn)殛P(guān)系到設(shè)備及人身安全。還要使濾波器對(duì)EMI噪聲產(chǎn)生最佳的抑制效果。應(yīng)根據(jù)接入電路的要求，以產(chǎn)生最大阻抗不匹配的原則來(lái)選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。為了獲得最佳的電磁噪聲衰減特性，濾波器應(yīng)該正確地安裝在電子設(shè)備上。