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EMC小知識(shí)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)筆之濾波(二)

jf_QSw6BD7f ? 來(lái)源:EMC電磁兼容 ? 2023-10-29 17:05 ? 次閱讀

0 前言

上次聊到了EMC的三要素,那這次主要學(xué)習(xí)了一些基礎(chǔ)的解決方案跟大家分享。EMC主要是解決干擾問(wèn)題,目前主要的手段有:屏蔽、濾波、接地等方案,本次主要分享的是濾波。

1濾波器介紹

濾波 (Wave filtering):是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作,是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。如傳導(dǎo)、輻射超標(biāo),是某個(gè)電纜的對(duì)外傳導(dǎo)、輻射的,那就可以在敏感信號(hào)處進(jìn)行濾波。

實(shí)際上,任何一個(gè)電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度(對(duì)信號(hào)最高頻率的限制)。頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個(gè)基本特點(diǎn)。而濾波器,則是根據(jù)電路參數(shù)對(duì)電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來(lái)的工程應(yīng)用電路。

濾波作用:切斷干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑,可與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。

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2濾波器重要指標(biāo)-插入損耗

插入損耗:插入損耗是衡量濾波電路濾波效果的指標(biāo),通常以分貝數(shù)或頻率特性曲線來(lái)表示。它是指濾波電路接入電路前后,電源傳給負(fù)載的功率比或端口電壓比。 IL=10lg Po/P2 (dB)或 L=20lg VO/V2 (dB) 其中 Po、P2、 Vo、V2分別表示濾波電路接入前后負(fù)載端的功率和電壓。

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式(1) 中,RL、和 RS,分別表示源阻抗和負(fù)載阻抗,a11、a12、a21、a22表示濾波器網(wǎng)絡(luò)的A參數(shù),更詳細(xì)的計(jì)算方法可以參考文獻(xiàn)《EMI電源濾波器的插入損耗分析》。

這里舉個(gè)例子,如下圖的差模濾波方案,假設(shè)源端阻抗和負(fù)載阻抗均為50歐姆,電源輸入1V,濾波電容的阻抗 1 歐姆,則未加濾波器前,V0=0.5V,加入濾波器后,V2為濾波阻抗和負(fù)載阻抗并聯(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.019V,則插入損耗=20lg0.5/0.019=28.4db。

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假設(shè)源端阻抗和負(fù)載阻抗均為 1 歐姆,則未加濾波器前,V0=0.5V,加入濾波器后,V2為濾波阻抗和負(fù)載阻抗并聯(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.33V,則插入損耗=20lg0.5/0.33=3.6db。

根據(jù)公式和示例,可以知道EMI 濾波器電路在不同的源與負(fù)載阻抗的情況下,濾波性能有很大的差異。在一般的濾波器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中,提供的插入損耗值都是在源阻抗和負(fù)載阻抗均為50歐姆的情況下得到的。

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在實(shí)際使用中,濾波器的端阻抗隨著工作環(huán)境的變化而變化,因而對(duì)濾波器插入損耗的影響也很大 ,濾波電路也是如此。設(shè)計(jì)時(shí)要求濾波器的插入損耗越大越好,整改時(shí)可以根據(jù)超標(biāo)頻率選擇合適的濾波器。

3濾波器類型和選型特征

濾波器根據(jù)濾波頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻等,在EMC問(wèn)題中,最常用的為低通濾波器。

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低通濾波器常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦?,?shí)際使用中推薦使用 PI 型或者 T 型濾波網(wǎng)絡(luò)。主要原因是根據(jù)插損的計(jì)算方法,在電感靠近低阻,電容靠近高阻時(shí)濾波效果最佳。而實(shí)際使用時(shí)往往不能準(zhǔn)確識(shí)別源端和負(fù)載端的高低組狀態(tài),所以采用PI型或者T型都能做到最佳匹配。

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舉例如下,在沒(méi)有經(jīng)過(guò)CL濾波前,電壓基本都在負(fù)載電阻上即1V,加入CL濾波后,負(fù)載電壓為濾波電容上電壓的一半為0.25V,插損=20lg1/0.25=12db。

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上例的基礎(chǔ)上,調(diào)換CL的位置,如下圖,在沒(méi)有經(jīng)過(guò)CL濾波前,電壓基本都在負(fù)載電阻上即1V,加入濾波后,負(fù)載電壓為濾波電容上電壓,為0.001V,插損=20lg1/0.001=60db。

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元器件沒(méi)有變,只是變換位置,濾波效果的差異很大,原理即:電容靠近高阻,電感靠近低阻才更有效。實(shí)際應(yīng)用選擇:在不知道源端和負(fù)載的阻抗高低的情況下,比較合理的就是pi網(wǎng)絡(luò)和T型網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)低頻,通常采用電容+電感+電容濾波方式,高頻采用電容+磁珠+電容濾波方式。如PI型,不管ZS、ZL是高還是低,并聯(lián)電容后都是低,中間電感靠近低阻為有效狀態(tài)。

4 濾波器案例:電源的EMC三要素分析

對(duì)于EMC問(wèn)題,我們?cè)谠韴D階段就要進(jìn)行濾波設(shè)計(jì),其要點(diǎn)就是從EMC的三要素出發(fā):

干擾的源頭:降低強(qiáng)度

敏感電路:提高抗干擾能力

干擾耦合路徑:降低路徑效率

下面以開(kāi)關(guān)電源為例,分析其濾波設(shè)計(jì)方案。開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來(lái)。由于開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問(wèn)題非常突出。如何降低甚至消除開(kāi)關(guān)電源的 EMI 問(wèn)題已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)師以及電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)師非常關(guān)注的問(wèn)題。

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開(kāi)關(guān)電源的干擾,既有共模干擾,也有差模干擾。 對(duì)于差模干擾:其存在于L-N線之間,電流從 L 進(jìn)入,流過(guò)整流二極管正極,再流經(jīng)負(fù)載,通過(guò)熱地,到整流二極管,再回到N。在這條通路上,有高速開(kāi)關(guān)的大功率器件,有反向恢復(fù)時(shí)間極短的二極管,這些器件產(chǎn)生的高頻干擾,都會(huì)從整條回路流過(guò),從而被接收機(jī)檢測(cè)到,導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)。 對(duì)于共模干擾:共模干擾是因?yàn)榇蟮嘏c設(shè)備電纜之間存在寄生電容,高頻干擾噪聲會(huì)通過(guò)該寄生電容,在大地與電纜之間產(chǎn)生共模電流,從而導(dǎo)致共模干擾。

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根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因和經(jīng)驗(yàn),低頻如150kHz-1.5MHz,以差模為主,1.5MHz-5MHz,差模和共模共同起作用,5MHz 以后高頻部分基本上是共模干擾為主。我們先以差模干擾為例展示干擾的源頭、耦合路徑和測(cè)試的敏感電路。從干擾源頭看,開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因,就是其在工作過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。

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從耦合路徑看,待測(cè)設(shè)備(EUT)的電源端口是干擾源,測(cè)試儀器為敏感電路,則從儀器的連接關(guān)系看,電源端口的干擾經(jīng)過(guò)AC頭接入了LISN的采樣電阻(50歐姆),再經(jīng)過(guò)測(cè)試儀器內(nèi)部的采樣電阻50歐姆,整個(gè)采樣電阻接近100歐姆。當(dāng)采樣電阻上的電壓超標(biāo),則傳導(dǎo)的干擾超標(biāo)。

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進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為如下電路模型,來(lái)看干擾的通路。噪聲主要由 di/dt 引起,通過(guò)寄生電感,在火線和零線之間的回路中傳播,在兩根線之間產(chǎn)生電流 ldm ,不與地線構(gòu)成回路。

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由 Vdm 驅(qū)動(dòng)的 Idm 導(dǎo)致輸入 AC 端口差模干擾,LISN +儀器的采樣阻抗為 100歐姆,開(kāi)關(guān)電源的接口沒(méi)有濾波時(shí),則很容易傳導(dǎo)測(cè)試超標(biāo),干擾都在敏感設(shè)備上(采樣電阻為高阻,VDM的ZC+ESR為低阻)。

干擾電壓幅度為:Vdm:

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這種情況下,針對(duì)電源口的EMC濾波就可以考慮電容方案,接口加差模濾波電容,C1通常為100nF~2.2uF的聚醋X2電容。

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X電容,常用做抑制電源電磁干擾,一般安裝到電源火線與零線之間,而且起到的作用都是差模濾波。X1電容耐電壓更高,在一些更高電壓的電路中要使用X1安規(guī)電容,X1 >2.5kV ≤4.0kV ;X2 ≤2.5kV。

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電容容值選型原則:根據(jù)電容的阻抗-頻率特性曲線進(jìn)行選型,在需要濾波的頻點(diǎn)上,讓電容的阻抗盡可能小,即讓干擾電流更多的流向大地,而不是流經(jīng)測(cè)試儀器的采樣電阻。因此根據(jù)差模干擾為低頻干擾,頻段在150kHz-1.5MHz,可選100nF~2.2uF電容,再結(jié)合耐壓確認(rèn)電容型號(hào)。

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假設(shè)傳導(dǎo)測(cè)試時(shí),超標(biāo)比較多,則考慮PI型濾波器。L1,L2,C1,C2 構(gòu)成低通 PI 型濾波器,L1、L2通常為100 ~300uH鐵粉芯電感,也可由共模電感的漏感形成,C1,C2通常為 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2電容。

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4 結(jié)論

解決EMI問(wèn)題從源頭考慮進(jìn)行濾波,效果更好,如開(kāi)關(guān)電源,從端口進(jìn)行傳導(dǎo)濾波。設(shè)計(jì)濾波時(shí),需要針對(duì)傳導(dǎo)干擾的特性,有針對(duì)性進(jìn)行濾波器件選擇。并且遵循電容靠近高阻,電感靠近低阻的原則,才能獲取較好的濾波效果。

通常在傳導(dǎo)測(cè)試中,首先分析干擾性質(zhì),通常低頻超標(biāo)的濾波方案,主要電容和PI濾波電路,也可以考慮差模電感,在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)前需要增加差模濾波電路。

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