EMI濾波器

EMI濾波器的寫法

EMI濾波器介紹

EMI濾波器加入到設(shè)備電源進(jìn)線處，避免電源線干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)備產(chǎn)生的干擾也可能通過電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設(shè)備的正常工作。

標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器通常由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，其作用是允許設(shè)備正常工作時(shí)的頻率信號進(jìn)入設(shè)備（一般來說，就是工頻50/60Hz或者中頻400Hz），而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。

設(shè)計(jì)原理

隨著電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴(yán)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(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高（幾百伏至幾千伏）、隨機(jī)性強(qiáng)，對微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，常使人防不勝防，這已引起國內(nèi)外電子界的高度重視。

電磁干擾濾波器（EMIFilter）是近年來被推廣應(yīng)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(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測量儀器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(guān)電源、測控系統(tǒng)等領(lǐng)域。

1電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理及應(yīng)用

1.1構(gòu)造原理

電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz～30MHz，可達(dá)150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設(shè)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之間（簡稱線對線）的噪聲。共模干擾則是兩條電源線對大地（簡稱線對地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)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上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)接通大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感）L、濾波電容C1～C4。L對串模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電流通過時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場就會互相加強(qiáng)。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，參見表1。需要指出，當(dāng)額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)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0.1μF，并且電容器中點(diǎn)應(yīng)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(fù)合式EMI濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級（亦稱兩節(jié)）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對某些用戶現(xiàn)場存在重復(fù)頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問題，國內(nèi)外還開發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱群脈沖對抗器），能對上述干擾起到抑制作用。

2EMI濾波器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

為減小體積、降低成本，單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級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(qū)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(fù)雜，抑制干擾的效果更佳。圖（c）中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，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關(guān)電源的電磁干擾。圖4中曲線a為加EMI濾波器時(shí)開關(guān)電源上0.15MHz～30MHz傳導(dǎo)噪聲的波形（即電磁干擾峰值包絡(luò)線）。曲線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。

針對某些用戶現(xiàn)場存在重復(fù)頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問題，國內(nèi)外還開發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱群脈沖對抗器），能對上述干擾起到抑制作用。

2EMI濾波器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

為減小體積、降低成本，單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級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(qū)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(fù)雜，抑制干擾的效果更佳。圖（c）中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，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關(guān)電源的電磁干擾。圖4中曲線a為加EMI濾波器時(shí)開關(guān)電源上0.15MHz～30MHz傳導(dǎo)噪聲的波形（即電磁干擾峰值包絡(luò)線）。曲線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。

3EMI濾波器的技術(shù)參數(shù)及測試方法

3.1主要技術(shù)參數(shù)

EMI濾波器的主要技術(shù)參數(shù)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(shù)中最重要的是插入損耗（亦稱插入衰減），它是評價(jià)電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

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

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

假定負(fù)載阻抗在插入前后始終保持不變，則P1=V12/Z，P2=V22/Z。式中V1是噪聲源直接加到負(fù)載上的電壓，V2是在噪聲源與負(fù)載之間插入電磁干擾濾波器后負(fù)載上的噪聲電壓，且V2<<V1.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，說明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。鑒于理論計(jì)算比較煩瑣且誤差較大，通常是由生產(chǎn)廠家進(jìn)行實(shí)際測量，根據(jù)噪聲頻譜逐點(diǎn)測出所對應(yīng)的插入損耗，然后繪出典型的插入損耗曲線，提供給用戶。圖5給出一條典型曲線。由力疔見，該產(chǎn)品可將1MHz～30MHz的噪聲電壓衰減65dB。

計(jì)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(yīng)為幾百微安至幾毫安。在電子醫(yī)療設(shè)備中對漏電流的要求更為嚴(yán)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)廠家給出下述經(jīng)驗(yàn)公式：

I=I1×[(85-TA)/45的根據(jù)2次方]

式中，I1是40℃時(shí)的額定電流。舉例說明，當(dāng)TA=50℃時(shí)，I=0.88I1；而當(dāng)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(nèi)部阻抗，ZL是負(fù)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(fù)載上的噪聲壓降V1、V2，再代入（2）式中計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)的AdB值，繪出插入損耗曲線。需要指出，上述測試方法比較煩瑣，每次都要拆裝EMI濾波器。為此可用電子開關(guān)對兩種測試電路進(jìn)行快速切換。

性能指標(biāo)

EMI濾波器最重要的技術(shù)指標(biāo)是對干擾的抑制能力，常常用所謂的插入損耗（InsertionLoss）來表示，它的定義是：沒有接入濾波器時(shí)從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用分貝（dB）表示。

EMI濾波器的插入損耗與濾波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量以及源端和負(fù)載端的阻抗有關(guān)。為避免濾除有用信號,插損指標(biāo)須謹(jǐn)慎提出。不論是軍用還是民用EMC標(biāo)準(zhǔn),對設(shè)備或分系統(tǒng)的電源線傳導(dǎo)干擾電平都有明確的規(guī)定,預(yù)估或測試獲得的EMI傳導(dǎo)干擾電平和標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)干擾電平之間的差值即所需的EMI濾波器的最小插損。然而,對不同的單臺設(shè)備都進(jìn)行EMC測試,而后分析其傳導(dǎo)干擾特性,設(shè)計(jì)合乎要求的濾波器,這在實(shí)際工程中顯然是不可能的。事實(shí)上,國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電源濾波器插入損耗的測試方法。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,一般軍用電源濾波器應(yīng)滿足10kHz～30MHz范圍內(nèi)插入損耗30～60dB。工程設(shè)計(jì)人員只需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波器。

元件選擇

與一般的濾波器不同，EMI濾波器典型結(jié)構(gòu)中電容使用了兩種下標(biāo)，接于相線和中線之間，稱為差模電容，接于相線或中線與地之間，稱為共模電容，下標(biāo)X和Y不僅表明了它在濾波電路中的作用，還表明了它在濾波電路中的安全等級。在設(shè)計(jì)或選用濾波器時(shí)都必須充分考慮這兩類電容的安全性能，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到濾波網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

1-1、差模電容器的選擇

指的是應(yīng)用于這樣的場合：當(dāng)電容失效后，不會導(dǎo)致電擊穿現(xiàn)象，不會危及人生安全。

除了要承受電源相線與中線的電壓之外，還要承受相線與中線之間各種干擾源的峰值電壓。根據(jù)差模電容應(yīng)用的最壞情況和電源斷開的條件，電容器的安全等級又分為兩個(gè)等級具體規(guī)定見表1。所以設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合來選擇不同安全等級的電容器。

表1差模電容的分類

若差模電容器的安全性能（即耐壓性能）欠佳，在上述的峰值電壓出現(xiàn)時(shí)，它有可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人生安全，但會使得濾波器的功能下降或喪失。通常EMI濾波器的差模電容必須經(jīng)過1500－1700V直流電壓1分鐘耐壓測試。1-2、共模電容及其漏電流控制

用于電子設(shè)備電源的EMI濾波器共模濾波性能常常受到共模電容的制約。

電容即跨接在相線或中線與安全地之間的電容。接地的電流主要就是指流過共模電容的電流，由于流過電容的電流由電源電壓，電源頻率和電容值共同決定。

由于漏電流的大小對于人生安全至關(guān)重要，不同國家對不同電子設(shè)備接地漏電流都做了嚴(yán)格的規(guī)定。若對漏電流做出了規(guī)定，則需求出允許接地電容值。

另外，要求電容在電氣和機(jī)械安全方面有足夠的余量，避免在極端惡劣的條件下出現(xiàn)擊穿短路的現(xiàn)象。因?yàn)檫@種電容要跟安全地相連，而設(shè)備的機(jī)殼也要跟安全地相連，所以這種電容的耐壓性能對保護(hù)人生安全有至關(guān)重要的作用，一旦設(shè)備或裝置的絕緣失效，可能危及到人的生命安全。因此電容要進(jìn)行1500－1700V交流耐壓測試1分鐘。

2、濾波電感的選擇

電感的取值、材料的選取原則從以下幾個(gè)方面考慮：，磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證頻率在1GHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率；第二，磁導(dǎo)率高，但是在實(shí)際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁芯材料一般是鐵氧體或者鐵粉芯，更好的材料如微晶等。