電源濾波器選型及參數(shù)

　　電源濾波器簡介

　　電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，又名“電源EMI濾波器”，或是“EMI電源濾波器”，一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，它的一端是電源，另一端是負(fù)載。電源濾波器的原理就是一種——阻抗適配網(wǎng)絡(luò)：電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對電磁干擾的衰減就越有效。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。

　　電源濾波器就是對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。

　　利用電源濾波器的這個特性，可以將通過電源濾波器后的一個方波群或復(fù)合噪波，變成一個特定頻率的正弦波。

　　大功率電源的濾波器如Satons、UBS、變頻器等將會產(chǎn)生大量諧波電流，這類濾波器需采用有源電力濾波器APF。APF可對2~50次諧波電流進(jìn)行濾除。

　　選電源濾波器的目的是抑制電磁噪聲，功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。在使用的時候我們就需要了解電源濾波器方面的知識，這樣可以防止不必要的損失，而在使用的時候我們還需要了解如何選擇電源濾波器。

　　電源濾波器參數(shù)

　　1、中心頻率（Center Frequency）：濾波器通帶的頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。

　　2、截止頻率（Cutoff Frequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標(biāo)準(zhǔn)定義。相對損耗的參考基準(zhǔn)為：低通以DC處插損為基準(zhǔn)，高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準(zhǔn)。

　　3、通帶帶寬（BWxdB）：指需要通過的頻譜寬度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn)，下降X（dB）處對應(yīng)的左、右邊頻點。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征濾波器通帶帶寬參數(shù)。分?jǐn)?shù)帶寬（fractional bandwidth）=BW3dB/f0×100［%］，也常用來表征濾波器通帶帶寬。

　　4、插入損耗（Insertion Loss）：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內(nèi)插損需強(qiáng)調(diào)。

　　5、紋波（Ripple）：指1dB或3dB帶寬（截止頻率）范圍內(nèi)，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動的峰-峰值。

　　6、帶內(nèi)波動（Passband Riplpe）：通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動是1dB。

　　7、帶內(nèi)駐波比（VSWR）：衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜?biāo)。理想匹配VSWR=1：1，失配時VSWR》1。對于一個實際的濾波器而言，滿足VSWR《1.5：1的帶寬一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關(guān)。

　　8、回波損耗（Return Loss）：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝（dB）數(shù)，也等于|20Log10ρ|，ρ為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。

　　9、阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法：一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB，計算方法為fs處衰減量As-IL；另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)——矩形系數(shù)（KxdB》1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可為40dB、30dB、20dB等）。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作難度當(dāng)然也就越大。

　　10、延遲（Td）：指信號通過濾波器所需要的時間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導(dǎo)數(shù)，即Td=df/dv。

　　11、帶內(nèi)相位線性度：該指標(biāo)表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計的濾波器具有良好的相位線性度。

　　電源濾波器選型

　　1、額定電壓

　　額定電壓是電源EMI濾波器用在指定電源頻率時的工作電壓，也是濾波器最高允許的電壓值。如用在50Hz單相電源 的 濾波器，額定電壓為250V;用在50Hz三相電源的濾波器，額定電壓為440V.若輸入濾波器的電壓過高，會使內(nèi)部電容器損壞。

　　2、額定電流

　　額定電流（Ir）是在額定電壓和指定環(huán)境溫度條件下所允許的最大連續(xù)工作電流。

　　隨著環(huán)境溫度的升高，或由于電感導(dǎo)線的銅損，磁芯損耗以及周圍環(huán)境溫度等原因?qū)е鹿ぷ鳒囟雀哂谑覝?，這時候就難以確保插入損耗的性能。我們應(yīng)該根據(jù)實際可能的最大工作電流和工作環(huán)境溫度來選擇濾波器的額定電流。

　　除特殊說明外，EMI濾波器說明書給出的額定電流均為室溫+25℃（標(biāo)稱溫度）的值，同樣給定的典型插入損耗或曲線也均指+25℃的值。最大工作電流（Imax）、額定電流與溫度之間的存在如下關(guān)系： 字串3 式1.0中：Imax為最大工作電流，Ir為室溫下額定工作電流，Tmax為最高的工作溫度+85℃，Ta為實際工作溫度，Tr為室溫+25℃。根據(jù)式2.0，Imax/Ir與Ta的關(guān)系舉例說明：+25℃，Imax=Ir;+45℃，Imax=0.816Ir;+85℃，Imax=0. 另外，在國外一些濾波器公司規(guī)定，+40℃（標(biāo)稱溫度）為工作電流值Ir 。

　　IEC氣候等級為25/085時，指定環(huán)境溫度為+40℃（標(biāo)稱溫度）條件下，查取其他環(huán)境溫度所允許的工作電流曲線。

　　影響工作電流和環(huán)境關(guān)系的主要原因之一就是濾波器中的軟磁材料。EMI濾波器一般采用高磁導(dǎo)率軟磁材料錳鋅鐵氧體，初始磁導(dǎo)率μi=7000~10000，但其居里點溫度不高，優(yōu)質(zhì)的僅為130℃左右。磁導(dǎo)率越高，居里點溫度越低，過居里點后磁導(dǎo)率迅速下降，從而導(dǎo)致濾波器中的電感值下降，嚴(yán)重影響濾波效果。 因此要根據(jù)工作溫度來正確選擇電源濾波器的額定電流，或者改善濾波器的散熱條件（工作環(huán)境）來確保濾波器的安裝使用。

　　3、插入損耗

　?。?） 插入損耗定義 插入損耗是EMI電源濾波器最重要的技術(shù)參數(shù)之一，設(shè)計人員和工程應(yīng)用人員考慮的中心問題就是：在保證濾波器安全、環(huán)境、機(jī)械和可靠性能滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，實現(xiàn)盡可能高的插入損耗。 濾波器的插入損耗是頻率的函數(shù)，用dB（分貝）表示。電路未接濾波器時，信號源在接受電路端電壓（功率）為U（ P），接入濾波器后在接受端輸入電壓（功率）為U（ P） ，定義插入功耗I.L（InsertionLoss）可以用下列方程推導(dǎo)出來： 假設(shè)實際負(fù)載阻抗在濾波器插入前后保持不變，故1.1式的各功率可以由其相應(yīng)的負(fù)載電壓和阻抗的表達(dá)式來代替： 方程中所表示的插入損耗，需要在任何頻率下通過取下和插入濾波器來進(jìn)行測量。

　?。?）共模損耗與差模損耗 EMI電源濾波器的插入損耗包括共模（表示為CM）插入損耗和差模（表示為DM）插入損耗。關(guān)于它們的具體測試方法，在CISPR第17號出版物中有過說明，這里就不再說明。例如某個廠家生產(chǎn)的DNF05-H-6AEMI濾波器，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測得的插入損耗。

　?。?）影響插入損耗的因素 影響電源EMI濾波器插入損耗的因素包括阻抗搭配和安裝。實際應(yīng)用中， EMI濾波器輸入和輸出端的阻抗已不是測得圖2.3曲線時的50Ω，所以它對干擾信號的衰減，不會等于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或說明書中的給出的插入損耗。如果選用EMI濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)合理，加上安裝得當(dāng)，則有可能實現(xiàn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定的插入損耗。反之，如果網(wǎng)絡(luò)搭配和參數(shù)的選擇不當(dāng)，安裝又有問題，則有可能得不到好的應(yīng)用效果，反而會得到相反的效果，如圖2.5出現(xiàn)插入損耗增益。

　　另外一個影響因素，就是濾波器的工作溫度和額定工作電流。EMI濾波器的插入損耗測量標(biāo)準(zhǔn)，CISPR第17號出版物，MIL-STD-220A和GB7343-87所規(guī)定的測量方法中，都一致強(qiáng)調(diào)了要在加載額定電流條件下進(jìn)行它的插入損耗的測量。前文已介紹，這是因為濾波器中的電感L用了鐵氧體或其他磁性材料，大電流工作下，磁性飽和狀態(tài)引起性能變壞。如圖2.6是某有問題的EMI濾波器測試情況，曲線①是正常50Ω系統(tǒng)下測試的插入損耗曲線，曲線②是50Ω系統(tǒng)和30A額定電流下測試的插入損耗曲線，兩者比較差別相當(dāng)大。

　　4、阻抗搭配

　?。?）阻抗搭配的原因 選擇濾波器時，首先應(yīng)選擇適合你所用的濾波電路和插入損耗性能。首先選擇濾波電路的原因是與濾波器要在匹配條件下工作的傳統(tǒng)概念不同，所謂匹配意味濾波器需在保持輸入/輸出信號幅度不變（或某一固定比例）的前提下，將其中部分頻譜做預(yù)期的處理或變換，而EMI電源濾波器不同，它是個以工頻為導(dǎo)通對象的低通濾波器，是在不匹配的條件下工作，因為在實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)匹配，如濾波器輸入端阻抗RI--電網(wǎng)源阻抗是隨著用電量的大小變化的，濾波器輸出端的阻抗Rl（負(fù)載阻抗）--電源阻抗是隨著電源負(fù)載的大小變化的，要想獲得理想的抑制效果，應(yīng)遵循正確的阻抗搭配。 無論怎樣復(fù)雜的電源EMI濾波器，都可以把它的共模和差模濾波網(wǎng)絡(luò)抽象出來。

　?。?）阻抗失配分析 可以分析出，一般在EMI電源濾波器電路網(wǎng)絡(luò)中，電感L看作高阻元件，電容C看作低阻元件。為了達(dá)到濾波更好的效果，按照濾波器的不匹配原則：如果實際負(fù)載為感性高阻，則選擇輸出負(fù)載為容性低阻的濾波器；如果實際負(fù)載為容性低阻，則選擇輸出負(fù)載為感性高阻的濾波器。同樣，對于濾波器的輸入阻抗和電網(wǎng)源阻抗，也應(yīng)該按照阻抗失配原則來選擇濾波器。

　　由式1.4可知，Zo與Rl相差越大，ρ就越大，端口產(chǎn)生的反射也就越大。對被控制的干擾信號，當(dāng)EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，EMI信號會在它的輸入和輸出端口產(chǎn)生很強(qiáng)的反射。這樣一來，濾波器對EMI信號的衰減，等于濾波器的固有插入損耗加上反射損耗。在EMI濾波器的實際使用中，可用阻抗失配來實現(xiàn)對EMI信號更加有效抑制。這就是為什么選用EMI濾波器時，一定要仔細(xì)分析其端口阻抗的正確搭配，使產(chǎn)生盡可能大的反射，達(dá)到對EMI信號的有效控制的原因。

　　EMI濾波器對EMI信號的抑制能力不僅取決于濾波器在50Ω系統(tǒng)內(nèi)測得的插入損耗，還取決于濾波網(wǎng)絡(luò)與EMI信號源和負(fù)載的正確端接。所以，在選用濾波器時，要特別注意EMI濾波器上標(biāo)牌內(nèi)容，看其是否準(zhǔn)確標(biāo)出濾波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。顯然，那種既不提供網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，又沒有給出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的EMI濾波器，給正確端接和優(yōu)化應(yīng)用帶來了麻煩。

　　另外，有的EMI濾波器標(biāo)牌標(biāo)明電源和負(fù)載端接，這可能是為了某特定電子設(shè)備所設(shè)置，沒有普遍意義，最多也只能是制造廠商的建議端接方法之一。應(yīng)用EMI濾波器，要具體分析EMI濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接入電路的等效阻抗，按照以上阻抗搭配原則進(jìn)行端接才能正確達(dá)到預(yù)期目的。

　　電源濾波器選型注意事項

　　1、如果未經(jīng)過對儀器的EMI、EMS指標(biāo)測試就選定了濾波器，基本上屬于“盲人騎瞎馬、夜半臨深池”的主兒；

　　2、如果機(jī)器上選擇的是一個市面上買來的通用濾波器，這個濾波器基本上是可以不加的；

　　3、濾波器8分定制、2分通用才算比較靠譜。

　　下此結(jié)論的原因是因為最近遇到的好幾起事情，都加了濾波器，但傳導(dǎo)就是不過，最后還是根據(jù)測試結(jié)果給設(shè)計了個濾波器樣品，一裝上ok才算pass，其實設(shè)計本身也并不復(fù)雜，不過多加了一級差模電容和差模電感、或調(diào)整了一下濾波器電感電容的參數(shù)而已。通用型的IEC插座濾波器，里面的空間很小，一般只能放得下2個共模電容、一個差模電容和一個共模電感，靠這點東西就能放之四海而皆準(zhǔn)，難度莫大焉。