詳解濾波器件經(jīng)典應(yīng)用案例

現(xiàn)象描述

圖1 某產(chǎn)品電源濾波電路原理

某塑料外殼產(chǎn)品，其AC電源入口的濾波電路如圖1 所示，從圖1 所示的電路原理圖可以看出，濾波電容中采用兩級(jí)Y電容的共模濾波，Y電容CY2和CY1分別位于共模電感M的兩邊。PE是產(chǎn)品的接地端子，傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)頻段范圍為150kHz～30MHz，進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾測(cè)試時(shí)，該產(chǎn)品放置在0.8m高的絕緣臺(tái)面上，測(cè)試結(jié)果顯示傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)(見(jiàn)圖2 )。

圖2某產(chǎn)品修改前的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試結(jié)果

在圖2中，測(cè)試結(jié)果在整個(gè)頻段上除了個(gè)別點(diǎn)都能滿足限值要求，測(cè)試過(guò)程中,雖然經(jīng)過(guò)多次改變電感電容的參數(shù)，但是效果并不明顯，超標(biāo)的個(gè)別頻率點(diǎn)依然無(wú)法消除。另外，從測(cè)試結(jié)果可知，超標(biāo)的頻率點(diǎn)在2 MHz -3MHz，且與裝置采用的CPU晶振等頻率并無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。在解決電子產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題時(shí)，嘗試割斷電容CY1對(duì)地引線，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，發(fā)射值在整個(gè)頻段范圍內(nèi)都降低了很多，測(cè)試通過(guò)。

圖3 修改設(shè)計(jì)后的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試結(jié)果

原因分析

對(duì)于傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析，可以從傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的實(shí)質(zhì)出發(fā)，分析流過(guò)LISN的騷擾電流大小。根據(jù)電源產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾的原理和傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的原理，可以畫(huà)出如圖4所示的塑料外殼產(chǎn)品存在CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖。

圖4 塑料外殼產(chǎn)品存在CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖

根據(jù)圖4塑料外殼產(chǎn)品存在CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖所示,開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾共模電流ICM 在產(chǎn)品的電源端口和測(cè)試系統(tǒng)中的LISN之間產(chǎn)生分流，其主要路徑分為兩路，一路流向PE接地線，即圖4中的IPE;另一路流向LISN,即圖4中的ILISN,它直接決定著傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試結(jié)果(共模傳導(dǎo)騷擾)。從圖4.58也可以看出，ILISN的大小取決于PE點(diǎn)與參考接地板之間的電位差，或A/B點(diǎn)與參考接地板之間的電位差，當(dāng)A/B、PE與參考接地板之間的電位差都等于零時(shí)(即PE線無(wú)阻抗，CY2和CX1濾波完美)，ILISN的大小將等于零。但是實(shí)際上，PE接地線是一根約1m長(zhǎng)的線，其寄生電感約為1μ H(較長(zhǎng)導(dǎo)線的寄生電感與電纜粗細(xì)影響不大，粗細(xì)只影響電纜的等效電阻)。這種情況下,當(dāng)共模電流I PE(圖4中所示)流過(guò)PE線時(shí)，PE線上產(chǎn)生點(diǎn)壓降ΔV 就像一個(gè)電壓源一樣，使LISN上流過(guò)一個(gè)電流ILISN, 即ILISN必然不等于零，如圖5 (b)所示。共模電流ILISN的大小在PE線寄生電感一定的情況下，取決于LISN的接電源線處到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE之間(即圖5 (b)中C/D到PE之間)的阻抗。對(duì)于本案例產(chǎn)品的濾波電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，LISN的接電源線處到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE之間存在兩條路徑，第一條是：LISN接電源線處通過(guò)CY1到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE(即圖5(b)中ILISN2電流所在的路徑);第二條是：LISN接電源線處通過(guò)共模電感M和CY2到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE(即圖5 (b)中ILISN1電流所在的路徑)。由于第一條路徑的阻抗要遠(yuǎn)小于第二條路徑上的阻抗(如，CY1為4.7nf,其在3MHz的頻率下，阻抗約為10Ω，而共模電感M為10mH時(shí)，在3MHz的頻率下，阻抗且約為200kΩ)，因此，此時(shí)共模電感M相當(dāng)于被電容CY1旁路，流過(guò)LISN的共模電流ILISN沒(méi)有被共模電感M抑制，傳導(dǎo)騷擾測(cè)試電平較高。

圖5 塑料外殼接地產(chǎn)品存在CY1的共模電流路徑分析原理圖

割斷電容CY2對(duì)地引線后，圖4 和圖5 所示的情況發(fā)生了變化，即，此時(shí)，流過(guò)LISN的共模電流ILISN被共模電感M抑制，共模電感M發(fā)揮了作用，使傳導(dǎo)騷擾共模電流ILISN降低，測(cè)試通過(guò) 。無(wú)CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖如圖6 所示。

圖6 無(wú)CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖

處理措施

圖1所示的濾波電路原理圖中，在共模電感兩側(cè)，分別有一個(gè)對(duì)地共模電容，表面看來(lái)沒(méi)有什么不妥之處，但從另外一個(gè)角度來(lái)看，兩個(gè)電容之間形成了另一個(gè)通路，即裝置內(nèi)部的干擾信號(hào)通過(guò)電容CY1 回到電源端口，旁路了應(yīng)該發(fā)揮共模電流抑制作用的共模電感M而是傳導(dǎo)騷擾失敗，按以上原理分析，只要去掉共模電感前端的Y電容CY1.就可以使本案例中的產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾測(cè)試通過(guò)，并保持有一定的余量。

思考與啟示

一味的接地或增加濾波器件并不是抑制電源端口共模傳導(dǎo)騷擾的方法，傳導(dǎo)騷擾的本質(zhì)是騷擾電流(包括共模與差模，高頻時(shí)以共模電流為主)流過(guò)LISN，通過(guò)濾波電路或接地改變騷擾電流的流向，不讓騷擾電流流向LISN，并盡量較小流向LISN的騷擾電流的大小才是正確的產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾抑制設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思路。

雖然本案例是通過(guò)去除CY1來(lái)解決傳導(dǎo)騷擾的問(wèn)題，但是并非說(shuō)圖1 所示的濾波電路設(shè)計(jì)是個(gè)錯(cuò)誤。前面對(duì)流向LISN的共模電流ILISN的分析 是基于產(chǎn)品接地阻抗較高(塑料外殼產(chǎn)品)、CY2電容濾波較為理想(即CY2兩端壓降在某頻率下接近于零)、共模電流ICM主要是從參考接地板返回到產(chǎn)品內(nèi)部的情況下之上的。

實(shí)際上圖4 或圖5 中A/B點(diǎn)到參考接地板之間的共模電壓不但與PE接地線及其上的共模電流大小有關(guān)，還有CY2的阻抗有關(guān)。實(shí)際產(chǎn)品中CY2不可能做到非常低的阻抗，即CY2兩端存在共模電壓降ΔV’。此時(shí)，圖5 (b)的共模等效電路原理圖，可以轉(zhuǎn)化為如圖7所示的CY2兩端存在共模電壓降ΔV’導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的原理圖。

圖7 CY2兩端存在共模電壓降導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的原理圖

從圖7中可以看到CY1的存在，反而旁路了流向LISN的共模電流。也就是說(shuō)，此時(shí)，CY1對(duì)電源端口的傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的通過(guò)是有幫助的，這與圖5所示的情況正好相反。

實(shí)際上，PE接地線上共模電流很小的產(chǎn)品通常是帶有金屬外殼并連接正確的產(chǎn)品。圖8 是金屬外殼產(chǎn)品存在CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖 。

圖8 金屬外殼產(chǎn)品存在CY1時(shí)傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的分析原理圖

對(duì)于金屬外殼的產(chǎn)品，由于金屬外殼的存在，金屬外殼可以把大部分開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的共模騷擾電流在到達(dá)參考接地板或LISN之前旁路在金屬外殼之內(nèi)(前提是連接正確)。這樣，這種產(chǎn)品的PE接地線上流過(guò)的共模電流就會(huì)很少，PE接地線上的共模電壓ΔV也會(huì)很低，CY1導(dǎo)致像如圖4 或圖5 原理所示產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾影響也很小。相反，CY1對(duì)如圖7 原理所示產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾的影響卻很大。這也是為什么有些產(chǎn)品在電源入口處再增加一個(gè)Y電容反而對(duì)EMI很有幫助的原因。

可見(jiàn)對(duì)于金屬外殼來(lái)說(shuō) ，采用圖1所示的濾波電路還是可取的，它會(huì)對(duì)高頻(如10MHz以上，100MHz以下)的抑制帶來(lái)一定的好處。通常情況下，1000pf左右容值的CY1已經(jīng)足夠了。原理見(jiàn)如圖9 所示。

圖9 金屬外殼產(chǎn)品存在CY1的共模電流路徑分析原理圖

低頻時(shí)，即使是金屬外殼的產(chǎn)品也不會(huì)對(duì)抑制電源端口的傳導(dǎo)騷擾帶來(lái)很大的幫助，那是因?yàn)?，低頻時(shí)，CY1的阻抗要遠(yuǎn)大于比25歐姆(LISN等效共模阻抗)，CY1的增加并不會(huì)減小流向LISN的共模電流。

濾波器件并非越多越好。

原文標(biāo)題：經(jīng)典案例分析：濾波器件是否越多越好?

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審核編輯：湯梓紅