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电源线滤波器的设计与实现【摘要】本文给出了电源滤波器插入损耗的计算及测量方法，详细介绍了电源线滤波器的工作原理、设计方法、器件选型及正确安装方法。电源线滤波器解决传导发射，不仅提高了电子设备的抗干扰能力，同时也提高了电子设备的电磁兼容性。【关键词】电源线滤波器；插入损耗；电磁干扰(EMI)；共模扼流圈公告：由于博客上传量有限，所以本文未能上传图片和公式。想要完整论文(包含电路图和公式，测试性能等)的博友请到我的豆丁上去下载：给大家带来的不便，请谅解！1引言1.1电磁干扰(EMI)在错宗复杂的电磁环境里，任何电器设备不仅要能承受外来的电磁干扰，还要不会对其他的电器设备产生不可承受的电磁干扰。所以我们要求我们的电器产品要具有电磁兼容性(EMC)。电子以及电器设备的电磁干扰一般都是通过产品的外壳、交/直流电源端口、信号线、控制线以及地线等发射或接受。按照EMI的传播途径，可以将其分为电磁辐射干扰和电磁传导干扰。1.2电源线滤波器的作用电源线滤波器的作用是不仅要防止设备本身产生的电磁干扰进入电源线,同时防止电源线上的干扰进入设备。电源线滤波器是一种低通滤波器,它允许频率低的工作电流通过,而不允许频率较高的电磁干扰电流通过。电源线滤波器是双向的,它既能防止电网上的干扰进入设备,对设备产生不良影响,使设备满足传导敏感度的要求；又能防止设备内的电磁干扰通过电源线传到电网上,使设备满足传导发射的要求。凡是能够产生较强干扰的设备和对外界干扰敏感的设备都要使用电源线滤波器。能产生较强干扰的设备有：含有脉冲电路(微处理器)的、使用开关电源的、使用可控硅的、变频调速的、含有马达的等。敏感电路如使用微处理器的设备、小信号模拟电路等1。1.3 EMC标准EMC标准不但规定了设备对外发射EMI允许的极限值，而且还规定了设备有电磁兼容性并且要求设备既有对外抗干扰性又有对内抗干扰性。这些对外传导EMI发射规定的极限值都是用电压来表示的，单位是dB。在EN50081-1标准所规定的干扰电平极限值是用途最广泛的。一般用于家庭、商业、工业等等，其极限值最高为60dB，范围是30dB-60dB。而EN50081-2标准所规定的适用于重工业的一般在60dB-80dB1。1.4电源线滤波器电源线是电磁干扰进入和进出电子和电器设备的主要通道，而电源线滤波器只让有用、规定频率的信号通过，而高于和低于电源频率的干扰信号将得到电源线滤波器的衰减和抑制。而我们知道的干扰信号有差模干扰信号和共模干扰信号，我们定义在火线和零线回路上的干扰信号为差模干扰信号，而在火线与地线以及零线与地线回路的干扰信号称为共模干扰信号。1.5电源线滤波器的插入损耗以及测量1.5.1插入损耗的定义电源线滤波器为无源双向网络、具有传输特性，安全取决于电源与负载阻抗，并由复杂传输特性的幅度来描述电源线滤波器的衰减性能，即由插入损耗衰减曲线来描述。插入损耗是电源线滤波器最重要的电气性能参数。如果信号发生器的输出阻抗等于接收机的输入阻抗,并与电源线滤波器输入,输出阻抗相等时且它们的阻抗都等于50欧时那么插入损耗IL定义为：在电源线滤波器没接入时从干扰源端传到负载的功率P1和在接入电源线滤波器后从干扰源传输到负载的功率P2之比，一般用分贝(dB)表示，插入损耗分贝值越大就说明该电源线滤波器的抑制噪声干扰就越强，所以我们要设计插入损耗尽量大的电源线滤波器。其公式如下：1.5.2电源线滤波器插入损耗的测量根据插入损耗的定义，我们知道在输入和输出阻抗相等的情况下，且等于50欧，但是，在实际电源线滤波器环境中，电源阻抗与负载阻抗都是没有规定是相等，也不可能完全相等的，所以最通用的办法是使电源和负载的阻抗各为50欧，这样的插入损耗就可以直接用频率分析仪测得测量插入损耗的电路如图1-1所示2。(a)插入前(b)插入后图1-1插入损耗测量E是(噪声)信号发生器，Z1是信号源的内部阻抗，Z2是负载阻抗，一般取50。噪声频率范围可选在10kHz30MHz或更高。先在不同频率下分别测出插入前后负载上的噪声压降，有噪声压降就可以知道负载的功率，由此可计算出每个典型频率点的插入损耗值，并可以在此基础上绘出插入损耗曲线2。如图1-2所示2。图1-2插入损耗曲线图1.6干扰源与干扰信号的传播途径干扰源不仅对电子设备上的电源线上有各种电磁干扰，而且在电子设备在完成其功能的同时也产生各种电磁干扰。最普通的传导干扰源是功率电子产品，比如开关电源、电机驱动器、相角控制器等等。而EMI干扰信号的传播途径以两种方式传播：一种是以辐射方式即通过电磁场耦合或以干扰源与受扰设备间的电磁波形式传播。另一种是传导方式即将电磁干扰的能量以电源线和数据线传播3。1.7干扰类型干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是在每一相与地间产生的电磁干扰即相线与地线，中线与地线之间，而对于相线和中线而说共模干扰大小相等相位相同，共模电流从干扰源流入地然后沿地线传播，最后经相线返回。差模干扰是在系统相线和中线之间产生的电磁干扰，而与地线无关。而对于相线和中线之间的差模干扰其大小相等，相位相反。差模电流从一相流出由另一相流入。总之简单地说，共模干扰就是两个都是进去，而差模干扰则是一进一出3。1.8 EMI电源线滤波器的种类及其特点EMI电源线滤波器的种类很多种,其中有普通的交流单相电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是体积小、成本低，适用于抑制要求较低的场合。还有差模增强型交流单相电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是增强差模干扰的抑制能力。还有高频增强型交流单相电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是增强共模高频滤波性能。还有高性能差模增强型交流单相电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是增强差模和共模干扰的抑制能力。还有交流滤波插座电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点可以获得很好的高频特性。还有普通交流三相三线电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是低成本、适用于抑制比较低的场合。还有普通交流三相四线电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是低成本、适用于抑制比较低的场合。还有差模增强型交流三相三线电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是低成本、适用于抑制比较低的场合并且最重要的是能增强差模干扰的抑制能力。还有差模增强型交流三相四线电源线滤波器，这种电源线滤波器的特点是低成本、适用于抑制比较低的场合并且最重要的是能增强差模干扰的抑制能力3。表1-1电源线滤波器的分类分类特点适用场合交流单相电源线滤波器体积小、成本低抑制要求较低的场合差模增强型交流单相电源线滤波器体积小、成本低增强差模干扰的抑制能力普通交流三相三线电源线滤波器低成本抑制比较低的场合差模增强型交流三相三线电源线滤波器体积小、成本低抑制比较低的场合并且最重要的是能增强差模干扰的抑制能力差模增强型交流三相四线电源线滤波器体积小、成本低抑制比较低的场合并且最重要的是能增强差模干扰的抑制能力2电源线的技术指标2.1插入损耗EMI电源滤波器对干扰噪声的衰减程度用插入损耗IL来衡量。它是评价电源滤波器性能好坏的重要指标，其单位用分贝数来表示。它是指电源线滤波器接入电路网络前后，干扰信号从电源端传到负载端的功率比或负载端的电压比。其分贝数越大，说明其抑制干扰的能力就越强。IL=10lg P1/P2(dB)或IL=20lgV1/V2(dB)式中，P1、P2、V1、V2分别表示滤波器接入前后负载端的功率和电压。实验室测量一般在50/50系统下进行。2.2额定电压电源线滤波器中使用的电容要符合IEC384-4标准，因为它保证电源线滤波器可以承受高于额定电压值的10%。它还规定了一些特殊场合要用的特殊的滤波器。比如在工作在380V DC的情况下，它就规定了要选用特殊的电源线滤波器。所以用到的电源线滤波器的指标是经常是留有余量的4。2.3漏电流漏电流是在指在额定的电压下，电源线滤波器的相线与地之间、中线与地线之间流过的电流，漏电流是由于接地电容引起的，所以出于对安全的考虑要对漏电流有严格的规定。国家规定的漏电流的在相线或零线对大地的漏电流不超过3.5mA4-7。2.4额定电流值所谓的额定的电流是出于安全与性能方面考虑的。当电源线滤波器的工作电流超过额定电流就会造成滤波器的工作性能的下降，会影响电源线滤波器的正常工作。在确定了电源线滤波器的额定工作电流的同时要对设备产品以这个为标准，不能使电源线滤波器的工作电流超过这个规定的值，以确保在最大的电流条件下工作，并且要有一定的余量，一般的电源线滤波器的额定电流值是实际最大的电流的1.5倍。此外还要考虑最大的电流工作的时候是否损害其他的元器件；额定电流量应配合线路上所使用的保险丝，以及导线的允许值。3电源线滤波器的设计3.1电源线滤波器的工作原理电源线滤波器是由共模扼流圈和差模,共模电容组成的低通滤波电路所构成,它允许比较低的电流通过,对频率较高的干扰信号则有较大衰减。由于干扰信号有差模和共模两种,因此电源线滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。电源线滤波器的基本电路中,C1、C2是滤波共模干扰用的电容,一般称为Y电容,而C3、C4作用是滤除差模干扰信号,一般称为X电容,L1是扼流线圈,一般绕制成共模扼流圈的形式。当负载电流流过共模扼流圈时,串联在相线上的线圈和串联在中线上的线圈它们所产生的磁力线方向相反,它们的磁力线相互抵消；所以很大电流流过共模扼流圈,磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流,两个线圈产生的磁场是方向相反的,它就有很大的电感存在,从而对干扰信号有抑制作用。如3-1图：图3-1电源线滤波器的原理图图中的L1是一个共模扼流圈，它是在同一个磁环上绕制两个绕向相同，匝数相同的线圈所形成的。图3-2共模电感饶制图它只对共模干扰有抑制作用，对差模干扰却没有抑制作用，因为当电网输入共模干扰时，这两种方向相同的纵向噪声电流如图3-2中的，由右手螺旋定则可知，两个线圈产生的磁通方向相同在一起起到叠加的作用，而这时电感具有高阻抗的特性,从而对共模干扰信号有衰减的作用,然后使共模干扰信号不能进入电源,同时也阻止了电源所产生的干扰向电网扩散，以免对电路网络产生电磁干扰。而差模干扰电流和在L1和L2中所产生的磁通，因为它们方向相反，磁通相互抵消，这时电感感抗为零不呈现出高阻抗发挥不了作用从而不能阻止差模干扰信号7-10。3.2电源线滤波器的设计EMI滤波器最重要的技术指标是对干扰信号抑制能力，一个好的电源线滤波器通常它的抗干扰性是很好的,而对电源线滤波器的抗干扰性能力常常用插入损耗IL(Insertion Loss)来表示，而它的定义是：在电源线滤波器没接入时从干扰源端传到负载的功率P1和在接入电源线滤波器后从干扰源传输到负载的功率P2之比，一般用分贝(dB)表示，如3-3所示：图3-3 EMI等效原理图其中(3-1)所以：(3-2)由图3-3(a)可知(3-3)图3-3(b)是一个二端口网络，它的传输方程为(3-4)然而(3-5)由(3-2)-(3-5)式可知(3-6)所以(3-7)由(3-7)式可以看出，EMI滤波器的插入损耗由电源线滤波器网络的网络参量以及电源端和负载端的阻抗决定的。为避免滤除有用信号,插入损耗指标须严格的谨慎规定。不论是工业用的还是民用的EMC标准,对电子设备系统的电源线传导干扰电平都有明确的规定,然而,对不同的设备都要进行EMC测试,然后分析其传输干扰特性,设计合乎要求的电源线滤波器,这在实际工程中显然是不可能的。在实际情况下,EMC国家标准中规定了电源线滤波器插入损耗的测量方法。在标准测试条件下,一般工业用的电源线滤波器应满足10kHz30MHz范围内插入损耗3060dB。可以需要根据实际情况选择合适的电源线滤波器10-13。3.3 EMI滤波器设计原理EMI滤波器设计原理要利用阻抗失配原理可以使电磁干扰得到抑制和衰减，所以电源线滤波器的滤波效果就是取决于阻抗失配原理的，若阻抗差别很大的话，电源线滤波器的滤波效果就越好的。为了得到较好的滤波的效果，我就要采取如下的措施：对低阻抗的电源这侧应使用输入阻抗高的滤波器，而对于高输入的阻抗的负载这侧就应该使用低输出阻抗的滤波器。在图3-3(b)中把电源线滤波器看成一个二端口网络，它的输入阻抗为Z1，输出阻抗为Z2，通过信号传输知识可知，当电源线滤波器的输入端和输出端的阻抗不相等，那么信号就会在电源线滤波器的输入端产生反射，而其反射系数定义为：(3-8)显然，Z2和Z1相差越大W便越大，反射越大，那么电源线滤波器的抑制干扰信号的能力就越强.根据图3-3(b)所示的二端口网络,其阻抗表达方式为：(3-9)推出(3-10)所以在设计时可以通过调节电源线滤波器的网络参数,就可以在一定的范围内改变电源线滤波器阻抗,从而可以使电源线滤波器的阻抗失配。总之，电源线滤波器的设计要遵循以下的原则：电源内阻是低阻抗的，则电源线滤波器的输入阻抗就应该是高阻抗的，反之也同样成立13-15。3.4电源线滤波器元件的选用3.4.1电源线滤波器的滤波电容的选择在电源线滤波器的原理图可以看到电路中电容使用了下标Cx和Cy，Cx接于相线和中线之间，这个上面所说的是差模滤波电容，Cy接于相线、中线与地线之间，这个上面所说的是共模滤波电容。一方面对于差模滤波电容的用途：当差模滤波电容坏后，它不会导致差模电容被击穿现象发生，更不会对人造成危险。Cx电容器的安全等级根据差模电容被击穿的条件下可以分为CX1和CX2两个安全等级电容。具体规定见表3-1。表3-1差模电容的分类CX电容等级用于设备的峰值电压VP应用场合在电强度试验期间所加的峰值电压VP CX1VP 1.2kV出现瞬态浪涌峰值对C 0.33uF,VP=4kV对C 0.33uF,VP=kV CX2VP 1.2kV一般场合1.4kV如果Cx的安全等级不高，在电压峰值出现时，它有可能被击穿，它的击穿虽然不会危害我们的人生安全，但是它也会使得电源线滤波器的性能下降或没有滤波性能。所以通常EMI滤波器的差模电容必须经过1500-2000V直流电压几分钟耐压测试。另一方面对于共模滤波电容的用途：共模滤波电容Cy是用来抑制电子设备电源线滤波器的共模电磁干扰对差模电磁干扰没有抑制作用。而电源线滤波器的共模滤波性能会受到共模滤波电容的制约。共模滤波电容Cy即跨接在相线或中线与地之间的电容。通过共模电容Cy的电流其实就是漏电流，由于流过共模电容Cy的电流由电源电压，电源频率和共模电容值共同决定，所以漏电流可以由下式估算：(3-11)其中Vm为电源电压，fm为电源频率。因为漏电流是电源线滤波器重要的技术指标，而漏电流的大小和人有密切