（机械电子工程专业论文）emi电源滤波器关键技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do i lt h en e t w o r ks t r u c t u r eo fe m lp o w e rl i n ef i l t e ra n dt h ec h a r a c t e r so f s o f tf e r r i t e ，t h ec o m p u t a t i o nm e t h o do fl n s e n i o nl o s s ( 1 l ) f o rt h ee m l p o w e rl i n e f i l t e ra n dt h ed e s i g nt e c h n i q u eo ff i l t e ri n d u c t o ra r eg i v e ni nt h i sp a p e r r e l a t i o n s h i p b e t w e e ni la n dr e l e v a n tn e t w o r kp a r a m e t e r si s p r e s e n t e db y n e t w o r k t h e o r y n e t w o r ks t r u c t u r eo fe m ip o w e rl i n ef i l t e ra n di t s c o m p u t a t i o nm e t h o df o ri la r e d i s c u s s e d c o m m o nm o d ea n dd i f f e r e n t i a lm o d e e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo f s i n g l e - p h a s ep o w e r l i n ef i l t e ra n dt h eh i 曲f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r sm o d e l o ff i l t e rd e v i c ea r ee s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，t h em a i nc h a r a c t e r so fs o f tf e r r i t ea r e a n a l y z e d ，a n di t si m p l e m e n to nt h ee m lp o w e rl i n ef i l t e ra n di t se q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e la r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ep r e c e d i n gt h e o r y ，t h es o f t w a r ef o ri lo f p o w e r l i n e f i l t e ra n dt h ed e s i g no ff i l t e ri n d u c t o ra r ep r o g r a m m e d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i m i t a t i v ea n dp r a c t i c a lr e s u l t si sa n a l y z e d ，a n dt h er a t i o n a lo ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e li st e s t e d t h ea p p l i c a t i o no f e m lp o w e rl i n ef i l t e ri sd i s c u s s e di nt h ee n d k e y w o r d s ：e m ip o w e r l i n ef i l t e ri n s e r t i o nl o s s ( i l )s o f tf e r r i t e i n d u c t o r s u p p r e s s i o nc o m p o n e n t 第一章绪论 第一章绪论 1 】研究背景及意义 随着丌关电源类数字电路的普及和发展，电子设备辐射和泄漏的电磁波不仅 严重干扰其他电子设备的j 下常工作导致设备功能紊乱、传输错误、控制失灵， 而且威胁着人类的健康与安全，已成为一种无形污染并不逊色于水、空气、噪 声等有形污染的危害。因此，降低电子设备的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，简写为e m i ) 已成为世界电子行业关注的问题。 在电子设备及电子产品中，电磁干扰能量可通过辐射陛耦合或传导性耦合进 行传输。在抗电磁干扰的辐射危害方面，屏蔽是最好的措施。在抑制e m i 信号的 传导干扰方面，e m i 滤波器是极有效的器件。 近年来，随着大功率电力电子器件的发展，电力电子装置在国民经济和国防 建设的诸多领域应用越来越广泛，在对电力电子技术的研究中，人们普遍遇到的 一个技术难题就是传导干扰问题。传导干扰主要包括设备信号线传导干扰、接地 线共地阻抗干扰以及电源线传导干扰，其中电源线传导干扰的抑制非常重要而又 最为薄弱。据i b m 公司的长期观察统计表明：严重威胁电子、电气设备安全可靠 工作的起因中，8 8 5 是来自电源中的电压瞬变和电磁脉冲。同时，由于电源线 e m i 信号具有幅度大、频谱宽的特点，而且其中夹杂大量的瞬态过电压和浪涌大 电流，这些因素使电源线传导干扰的抑制较难控制。 因此，本文以e m i 电源滤波器为研究方向，重点讨论滤波网络的插入损耗分 析及滤波器电感元件的设计技术。 1 2e m i 电源滤波器技术概况 e m i 电源滤波器是抑制传导干扰最为有效的手段。e m i 电源滤波器又称为 电网滤波器、进线滤波器等，它毫无衰减地把直流、5 0 h z 、4 0 0 h z 的电源功率传 输到设备上去，却大大衰减经电源传入的e m i 信号，保护设备免受其害。同时， 它又能抑制设备本身产生的e m i 信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其 它设备。 通用的e m i 滤波器可以定义为一个低通网络，它出电感、电容或电阻等无源 器件组合而成。一般可根据其电路形式分为l 型、t 型、兀型等基本电路形式。e m i 滤波器不同于通常的低通滤波器，二者所关心的滤波器指标、使用环境等都是截 2e m i 电螈滤波器戈键技术研究 然不同的。普通的低通滤波器关心幅频特性、相位特性、群延时、波形畸变等特 性；而e m i 滤波器则更关心插入损耗、能量衰减、截止频率等参量。从使用环境 来看，一般低通滤波器工作电压较低、工作电流较小、源端和负载端特性较单一； 而e m 滤波器工作电压高、额定工作电流大并且要能够承受瞬时大电流的冲击 在使用中必须考虑源端及负载端的端接阻抗对滤波性能的影响而且必须结合接 地技术与屏蔽措施，才能达到良好的e m i 抑制效果。 近年来，在国内外研究人员的努力下，e m i 滤波器的设计理论不断发展。 s h i f m a nj c 在1 9 6 5 年提出一种图表方法【1 i ，通过事先绘制成的滤波器插损分析列 线图设计单级l 型或兀型e m i 滤波器：1 9 9 4 年，l a s z i ot i h a n y i 在其专著f 2 1 中发展 了这一方法，考虑滤波器件高频特性对列线图的影响并不再局限于单级滤波器。 r i c h a r dl e eo z e n b a u g h 提出了另一种方法p 】，根据设计阻抗和插损要求选取滤波网 络，估算元件参数，然后不断地校核分析滤波器插入损耗，修正元件参数。但这 些设计方法分析过程繁杂，校核运算量很大。 随着电子设备微型化、移动化的发展，磁性材料在e m i 电源滤波器中获得了 广泛应用。但由于磁性材料的非线性特性磁性材料的选择和电感设计问题成为 滤波器设计中的一个难点。 本文综合以上思路，应用网络理论建立了滤波器插损仿真分析模型，并综合 考虑了器件高频分布参数及磁性材料的非线性特性对滤波器插损性能的影响，编 制了滤波器插损仿真分析软件和电感设计软件，极大地简化了滤波器插入损耗的 校核过程使滤波电感元件的设计变得简单易用。 1 3 本文主要工作 根据e m i 电源滤波器的研究需要，本文主要作了以下几方面的工作： ( 1 ) 应用网络理论分析了e m i 电源滤波器讨论了滤波器的插入损耗与相 关网络参数的关系。 ( 2 ) 分析了e m i 电源滤波器的基本网络结构，建立了单相电源滤波器的共 模及差模等效电路模型。 ( 3 ) 分析了滤波器件的高频分布参数。 ( 4 ) 分析了滤波器插入损耗的计算方法，编制了滤波器插损仿真分析软件。 ( 5 ) 分析了铁氧体磁性材料的各种性质，讨论了软磁铁氧体在e m i 电源滤 波器中的应用。 ( 6 ) 建立了软磁铁氧体磁芯的等效电路模型，编制了滤波电感设计软件。 ( 7 ) 为了验证等效电路模型的合理- 陛，本文对软件仿真结果与实际测试结果 进行了对比分析。 第一章绪论3 ( 8 ) 讨论了e m i 电源滤波器的一些工程应用技术，包括e m l 电源滤波器中 电容器和电感器的选择和使用、滤波器件的保护以及e m i 电源滤波器 的选择和安装等问题。 4e m i 电源滤波器荚键技术研究 第二章e ml 电源滤波器网络及其插损分析 2 i 二端口网络分析 本节从端口的角度对网络进行分析与研究。在工程技术中，常常只需研究网 络的输入端口与输出端口之间的电压、电流关系，对网络内部不作具体探讨。本 节重点讨论内部不含独立电路、无初始储能的线性二端口网络的端口特。性方程及 其分析方法。 2 1 1 二端口网络 在电网络中，如果任何时刻流入网络一个端子的电流等于流出另一个端子的 电流那么这样的两个端子就构成一个端口。如图2 - i 所示的网络，若满足： 俘麓 协， 则端子i 与i ，2 与2 分别构成一个端口。 2 图2 - i 端口概念说明 只有两个端口的网络称为= 端口网络。图2 1 所示即为一个二端口网络，1 1 端口为输入端口，2 - 2 端口为输出端口。 2 1 2 二端口网络的a 参数矩阵 二端口网络的理论，在于研究其输入端口及输出端口中电流电压的关系。联 系这些电流电压的方程式叫做= 端口网络的传输方程。传输方程中电压或电流前 的系数矩阵就构成了二端口网络的参数矩阵。本节主要分析应用最为广泛的a 参 数矩阵。 图2 - 2 为二端口网络的运算电路模型，其传输方程为： 4e m i 电源滤波器荚键技术研究 第二章e ml 电源滤波器网络及其插损分析 2 i 二端口网络分析 本节从端口的角度对网络进行分析与研究。在工程技术中，常常只需研究网 络的输入端口与输出端口之间的电压、电流关系，对网络内部不作具体探讨。本 节重点讨论内部不含独立电路、无初始储能的线性二端口网络的端口特。性方程及 其分析方法。 2 1 1 二端口网络 在电网络中，如果任何时刻流入网络一个端子的电流等于流出另一个端子的 电流那么这样的两个端子就构成一个端口。如图2 - i 所示的网络，若满足： 俘麓 协， 则端子i 与i ，2 与2 分别构成一个端口。 2 图2 - i 端口概念说明 只有两个端口的网络称为= 端口网络。图2 1 所示即为一个二端口网络，1 1 端口为输入端口，2 - 2 端口为输出端口。 2 1 2 二端口网络的a 参数矩阵 二端口网络的理论，在于研究其输入端口及输出端口中电流电压的关系。联 系这些电流电压的方程式叫做= 端口网络的传输方程。传输方程中电压或电流前 的系数矩阵就构成了二端口网络的参数矩阵。本节主要分析应用最为广泛的a 参 数矩阵。 图2 - 2 为二端口网络的运算电路模型，其传输方程为： 第二章e m 电源滤波器网络及其插损分析 或为 2 i s ) 2 图2 - 2 二端口网络的运算电路模型 j u 】( s ) = 8 1 】u 2 ( 8 ) + a 1 2 - - i2 ( 3 ) 1 ( 2 2 ) l il ( s ) = a 2 i u 2 ( s ) + a 2 2 【一i2 ( s ) 】 ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 中的a 称为a 参数矩阵。由式( 2 2 ) 可得a 参数矩阵各元素的物 理意义如下： = 器l 瑚 = 焉l + 。 = 器l 瑚 = 等l 小。 ( 2 4 ) a 。称为开路电压比，a ，2 称为短路转移阻抗，a ：称为开路转移导纳，a ：2 称为 短路电流比。对一般的双口网络来说，a ”8 ”a ：。、a 2 2 四个参数都是独立的。 但对于互易网络，有a 1 2 = a2 1 。 2 1 3 二端口网络的级联 、生出2 曼；垃一纽厂一l 墨盟 + + i + u i “s ) ! a !u 2 a ( s ) = u l b o ) b j u 2 b ( s ) ： 1 一一j 一一j 一一 一 l 一j 图2 - 3 二端口网络的级联 n = _ 刈 0 0： u 0 l a = n 列 0 0 2 2 i i t l v j 儿 ： 珀 a a 第二章e m 电源滤波器网络及其插损分析 或为 2 i s ) 2 图2 - 2 二端口网络的运算电路模型 j u 】( s ) = 8 1 】u 2 ( 8 ) + a 1 2 - - i2 ( 3 ) 1 ( 2 2 ) l il ( s ) = a 2 i u 2 ( s ) + a 2 2 【一i2 ( s ) 】 ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 中的a 称为a 参数矩阵。由式( 2 2 ) 可得a 参数矩阵各元素的物 理意义如下： = 器l 瑚 = 焉l + 。 = 器l 瑚 = 等l 小。 ( 2 4 ) a 。称为开路电压比，a ，2 称为短路转移阻抗，a ：称为开路转移导纳，a ：2 称为 短路电流比。对一般的双口网络来说，a ”8 ”a ：。、a 2 2 四个参数都是独立的。 但对于互易网络，有a 1 2 = a2 1 。 2 1 3 二端口网络的级联 、生出2 曼；垃一纽厂一l 墨盟 + + i + u i “s ) ! a !u 2 a ( s ) = u l b o ) b j u 2 b ( s ) ： 1 一一j 一一j 一一 一 l 一j 图2 - 3 二端口网络的级联 n = _ 刈 0 0： u 0 l a = n 列 0 0 2 2 i i t l v j 儿 ： 珀 a a 6 e m i 电源滤波器关键技术研究 图2 - 3 所示即b - - 端口网络的级联。设a 。、a b 分别为级联的两个二端口网络 的a 参数矩阵，有： 眺 ：a i 蒜习 躺 ：a b 尝习 由图2 - 3 又有u ：。( s ) = u 、b ( s ) 和i ：。( s ) = 一12 b ( s ) ，代入上两式可得： j 答卜4 院i 暑f 池s ， l k ( s ) j4 。【一：a ( s ) j 因此级联后所得的二端! z i 网络的a 参数矩阵为： 一= a 。 ( 2 - 6 ) 由此，在进行网络分析时，可将复杂的二端口网络分解为多个简单二端口网 络的级联，则总网络的端1 2 电压、电流特性可用系统传输方程描述，总网络的a 参量矩阵等于各个子网络的a 参量矩阵的乘积。 在本文的滤波器分析中，将复杂滤波器网络分解成典型滤波电路的级联，将 各典型滤波电路的a 参数矩阵连乘，即可获得复杂滤波器网络的a 参数矩阵，实 现对e m i 滤波网络的插入损耗分析。 2 2 典型滤波电路的a 参数矩阵 典型滤波器电路有串联电感型、并联电容型、l 型、t 型和兀型，各典型电路 的a 参数矩阵如表2 1 所示。 表2 - 1 典型滤波电路的a 参数矩阵 电路类型典型电路结构图a 参数矩阵 l o _ ，、1 _ o 1j 乩 串联电感型 1 0 1 j o0 o 1 0 10 并联电容型= 鲁 b 扰1 j o i o 6 e m i 电源滤波器关键技术研究 图2 - 3 所示即b - - 端口网络的级联。设a 。、a b 分别为级联的两个二端口网络 的a 参数矩阵，有： 眺 ：a i 蒜习 躺 ：a b 尝习 由图2 - 3 又有u ：。( s ) = u 、b ( s ) 和i ：。( s ) = 一12 b ( s ) ，代入上两式可得： j 答卜4 院i 暑f 池s ， l k ( s ) j4 。【一：a ( s ) j 因此级联后所得的二端! z i 网络的a 参数矩阵为： 一= a 。 ( 2 - 6 ) 由此，在进行网络分析时，可将复杂的二端口网络分解为多个简单二端口网 络的级联，则总网络的端1 2 电压、电流特性可用系统传输方程描述，总网络的a 参量矩阵等于各个子网络的a 参量矩阵的乘积。 在本文的滤波器分析中，将复杂滤波器网络分解成典型滤波电路的级联，将 各典型滤波电路的a 参数矩阵连乘，即可获得复杂滤波器网络的a 参数矩阵，实 现对e m i 滤波网络的插入损耗分析。 2 2 典型滤波电路的a 参数矩阵 典型滤波器电路有串联电感型、并联电容型、l 型、t 型和兀型，各典型电路 的a 参数矩阵如表2 1 所示。 表2 - 1 典型滤波电路的a 参数矩阵 电路类型典型电路结构图a 参数矩阵 l o _ ，、1 _ o 1j 乩 串联电感型 1 0 1 j o0 o 1 0 10 并联电容型= 鲁 b 扰1 j o i o 第一二章e m i 电渊滤波器网络及其插损分析7 续表2 1 电路类型典型电路结构图a 参数矩阵 1 嚣叫卅 l 型 0 u1 2 t 型7 1 1 - c o 2 l l cj c o ( t i + l 2 ) 一j c o3 l i l 2 c i c t ij 1 0 9 2 l 2 c l 7 c 型 1 f i1 一脚2 l c 2j 扎i l j a , ( c 】+ c 2 ) 一j 脚3 l c 。c 21 0 ) 2 l c l j 下面以t 型电路为例说明a 参数的推导过程。 图2 4t 型滤波电路 如图2 4 所示，令其输出端口丌路，即i ：= 0 时有： = 1 一甜2 l c a 2 i 寺奇刮以 令其输出端口短路，即u ：= 0 时，设c 两端电压为，则有： i。=_百u1jo e l + 1 - 竺c 0 2 l ! 一2 c 辞 ，一，i = u u l l a 8e m i 也源滤波器芙键技术研究 所以： v ，：粤旦1 2 l l ( 1 一珊2 l 2 c ) + l 2 卜盖j l 2 a 1 2 = 导咖( l t + l 2 - c 0 2 l ，l 2 c ) a z z2 2 一2 l z c 故电路的a 参数矩阵为： 一= 1 - ，o j 2 l 1 c - ，( i + 。一l 2 甜) ：- 三j ：c o j 3 i 三2 c 2 3e m i 电源滤波器 e m i 滤波器的种类很多，根掘滤波原理可分为反射式滤波器和吸收式滤波器： 根据工作条件可分为有源滤波器和无源滤波器：根据传输特性可分为巴特沃思 ( b u r r e r w o r t h ) 、契比雪夫( t e c h b y c h e d f f ) 、贝塞尔( b e s s e l ) 、椭圆等类型；根据 频率特性可分为低通、高通、带通、带阻滤波器：根据使用场合可分为电源滤波 器、信号线滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、防信息泄露专用滤波器、 印制电路板专用的微型滤波器等；根据其基本电路的网络形式又可分为兀型、t 型、l 型滤波器等。 本文研究的e m i 电源滤波器是无源网络，是防止外界电网的干扰噪声通过电 源线传导干扰电子设备的有效工具；由于滤波器内部电路的对称性，所以同时也 能有效防止电子设备内部产生的干扰噪声通过电源线传导污染外界电网。 2 3 1 共模和差模干扰信号 图2 5 表示一单相电源。我们把相线( l ) 与地( e ) 和中线( n ) 与地( e ) 间存在的e m i 信号称为共模干扰信号即图中的u i 和u 2 。对l 、n 线而言，共 模干扰信号可视为在l 和n 线上传输的电位相等相位相同的信号。我们把l 与n 之间存在的干扰信号u 3 称为差模干扰信号，也可把它视为在l 和n 线上有1 8 0 相位差的干扰信号。 对任何电源线上的传导干扰信号，都可用共模和差模干扰信号来表示。并且 8e m i 也源滤波器芙键技术研究 所以： v ，：粤旦1 2 l l ( 1 一珊2 l 2 c ) + l 2 卜盖j l 2 a 1 2 = 导咖( l t + l 2 - c 0 2 l ，l 2 c ) a z z2 2 一2 l z c 故电路的a 参数矩阵为： 一= 1 - ，o j 2 l 1 c - ，( i + 。一l 2 甜) ：- 三j ：c o j 3 i 三2 c 2 3e m i 电源滤波器 e m i 滤波器的种类很多，根掘滤波原理可分为反射式滤波器和吸收式滤波器： 根据工作条件可分为有源滤波器和无源滤波器：根据传输特性可分为巴特沃思 ( b u r r e r w o r t h ) 、契比雪夫( t e c h b y c h e d f f ) 、贝塞尔( b e s s e l ) 、椭圆等类型；根据 频率特性可分为低通、高通、带通、带阻滤波器：根据使用场合可分为电源滤波 器、信号线滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、防信息泄露专用滤波器、 印制电路板专用的微型滤波器等；根据其基本电路的网络形式又可分为兀型、t 型、l 型滤波器等。 本文研究的e m i 电源滤波器是无源网络，是防止外界电网的干扰噪声通过电 源线传导干扰电子设备的有效工具；由于滤波器内部电路的对称性，所以同时也 能有效防止电子设备内部产生的干扰噪声通过电源线传导污染外界电网。 2 3 1 共模和差模干扰信号 图2 5 表示一单相电源。我们把相线( l ) 与地( e ) 和中线( n ) 与地( e ) 间存在的e m i 信号称为共模干扰信号即图中的u i 和u 2 。对l 、n 线而言，共 模干扰信号可视为在l 和n 线上传输的电位相等相位相同的信号。我们把l 与n 之间存在的干扰信号u 3 称为差模干扰信号，也可把它视为在l 和n 线上有1 8 0 相位差的干扰信号。 对任何电源线上的传导干扰信号，都可用共模和差模干扰信号来表示。并且 8e m i 也源滤波器芙键技术研究 所以： v ，：粤旦1 2 l l ( 1 一珊2 l 2 c ) + l 2 卜盖j l 2 a 1 2 = 导咖( l t + l 2 - c 0 2 l ，l 2 c ) a z z2 2 一2 l z c 故电路的a 参数矩阵为： 一= 1 - ，o j 2 l 1 c - ，( i + 。一l 2 甜) ：- 三j ：c o j 3 i 三2 c 2 3e m i 电源滤波器 e m i 滤波器的种类很多，根掘滤波原理可分为反射式滤波器和吸收式滤波器： 根据工作条件可分为有源滤波器和无源滤波器：根据传输特性可分为巴特沃思 ( b u r r e r w o r t h ) 、契比雪夫( t e c h b y c h e d f f ) 、贝塞尔( b e s s e l ) 、椭圆等类型；根据 频率特性可分为低通、高通、带通、带阻滤波器：根据使用场合可分为电源滤波 器、信号线滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、防信息泄露专用滤波器、 印制电路板专用的微型滤波器等；根据其基本电路的网络形式又可分为兀型、t 型、l 型滤波器等。 本文研究的e m i 电源滤波器是无源网络，是防止外界电网的干扰噪声通过电 源线传导干扰电子设备的有效工具；由于滤波器内部电路的对称性，所以同时也 能有效防止电子设备内部产生的干扰噪声通过电源线传导污染外界电网。 2 3 1 共模和差模干扰信号 图2 5 表示一单相电源。我们把相线( l ) 与地( e ) 和中线( n ) 与地( e ) 间存在的e m i 信号称为共模干扰信号即图中的u i 和u 2 。对l 、n 线而言，共 模干扰信号可视为在l 和n 线上传输的电位相等相位相同的信号。我们把l 与n 之间存在的干扰信号u 3 称为差模干扰信号，也可把它视为在l 和n 线上有1 8 0 相位差的干扰信号。 对任何电源线上的传导干扰信号，都可用共模和差模干扰信号来表示。并且 第二章e m i 电源滤波器网络及其插损分析9 干 扰 源 图2 - 5e m i 信号与被影响的设器 可把l e 和n e 之间的共模干扰信号、l n 之间的差模干扰信号看作独立的e m i 源把单相电源内的l e 、n e 和l n 看作独立网络端口来分析e m l 信号和有关 的滤波网络。 2 3 2e m i 电源滤波器网络结构 l n 图2 - 6e m i 电源滤波器网络结构 图2 - 6 所示为单相电源滤波器的基本网络结构它是出集中参数元件构成的无 源低通网络虚线框表示e m 滤波器的金属屏蔽外壳。滤波网络主要由两只电感 l i 、l 2 和三只电容c ”c v l 、c 。2 组成。 l 1 、l 2 是绕在同一磁环上的两只独立线圈，称为共模电感线圈或共模扼流圈。 两个线圈的圈数相同，绕向相反，致使e m 滤波器接入电路后，两只线圈内电流 产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈l 1 、 l ：的电感值保持不变。此结构对相线或中线对地所形成的共模干扰具有电感抑制 作用，而对相线和中线间所形成的差模干扰和工频供电电流无电感抑制作用。如 果把该滤波器一端接入电源，负载端接上被干扰设备，那么l 和c 。i ，l 2 和c ，2 就分别构成l e 和n e 两对独立端口间的低通滤波器，用束抑制电源线上存在的 共模e m i 信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。但在实际生产中，两个 绕组不可能做到完全对称，使得l l 和l 2 的电感量不相等，于是l i 和l 2 的差值( l i - - l 2 ) 形成差模漏电感，一般用l c 表示，其值一般约为l l 或l 2 的1 。k 和c ， 第二章e m i 电源滤波器网络及其插损分析9 干 扰 源 图2 - 5e m i 信号与被影响的设器 可把l e 和n e 之间的共模干扰信号、l n 之间的差模干扰信号看作独立的e m i 源把单相电源内的l e 、n e 和l n 看作独立网络端口来分析e m l 信号和有关 的滤波网络。 2 3 2e m i 电源滤波器网络结构 l n 图2 - 6e m i 电源滤波器网络结构 图2 - 6 所示为单相电源滤波器的基本网络结构它是出集中参数元件构成的无 源低通网络虚线框表示e m 滤波器的金属屏蔽外壳。滤波网络主要由两只电感 l i 、l 2 和三只电容c ”c v l 、c 。2 组成。 l 1 、l 2 是绕在同一磁环上的两只独立线圈，称为共模电感线圈或共模扼流圈。 两个线圈的圈数相同，绕向相反，致使e m 滤波器接入电路后，两只线圈内电流 产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈l 1 、 l ：的电感值保持不变。此结构对相线或中线对地所形成的共模干扰具有电感抑制 作用，而对相线和中线间所形成的差模干扰和工频供电电流无电感抑制作用。如 果把该滤波器一端接入电源，负载端接上被干扰设备，那么l 和c 。i ，l 2 和c ，2 就分别构成l e 和n e 两对独立端口间的低通滤波器，用束抑制电源线上存在的 共模e m i 信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。但在实际生产中，两个 绕组不可能做到完全对称，使得l l 和l 2 的电感量不相等，于是l i 和l 2 的差值( l i - - l 2 ) 形成差模漏电感，一般用l c 表示，其值一般约为l l 或l 2 的1 。k 和c ， l oe m i 电源滤波器芙键技术研究 电容器又组成l - n 独立端口问的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模 e m i 信号。 在分析图2 - 6 所示电源滤波器的共模干扰时，根据电路对地的对称性，只需计 算相线对地或中线对地的其中一路：而在分析其差模干扰时，则应考虑差模漏电 感l 。图2 7 所示为图2 - 6 中电源滤波器的共模和差模等效电路。 工。n ( a ) 共模等效电路( b ) 著模等效电路 图2 7e m i 电源滤波器等效电路 2 3 3e m i 电源滤波器的插入损耗 e m 电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗i l ( i n s e r t i o nl o s s ) 来衡 量。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率p l 和接入 滤波器后，从噪声源传输到负载的功率p 2 之比，用d b ( 分贝) 表示，滤波器接入 前、后的电路如图2 - 8 所示： 由定义有： 由图2 - 8 ( a ) 可得： l 一 滤 沌q 波 r 一 器 图2 - 8 滤波器插入损耗的定义 ( b ) 扣川。g 鲁 - 卜g 研v t 2 瓦r l 峭可v 2 = 2 0 l o g v 琶 v ，= 熹r 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) r l l oe m i 电源滤波器芙键技术研究 电容器又组成l - n 独立端口问的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模 e m i 信号。 在分析图2 - 6 所示电源滤波器的共模干扰时，根据电路对地的对称性，只需计 算相线对地或中线对地的其中一路：而在分析其差模干扰时，则应考虑差模漏电 感l 。图2 7 所示为图2 - 6 中电源滤波器的共模和差模等效电路。 工。n ( a ) 共模等效电路( b ) 著模等效电路 图2 7e m i 电源滤波器等效电路 2 3 3e m i 电源滤波器的插入损耗 e m 电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗i l ( i n s e r t i o nl o s s ) 来衡 量。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率p l 和接入 滤波器后，从噪声源传输到负载的功率p 2 之比，用d b ( 分贝) 表示，滤波器接入 前、后的电路如图2 - 8 所示： 由定义有： 由图2 - 8 ( a ) 可得： l 一 滤 沌q 波 r 一 器 图2 - 8 滤波器插入损耗的定义 ( b ) 扣川。g 鲁 - 卜g 研v t 2 瓦r l 峭可v 2 = 2 0 l o g v 琶 v ，= 熹r 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) r l 第二章e m i 电源滤波器网络及其插损分析 11 由图2 - 8 ( b ) 可得： 由以上各式联立解得 将_ 、代入式( 2 - 8 ) 得 v l = a 1 1 v 2 一a t 2 1 2 i l 2a 2 1 v 2 一a2 2 i2 v l = v s i i rs v 2 = 一i2 r l u 划1 0 9 j 丛生剥rr 掣坐叫t d b ) 协， q l。+1 由上式可知，e m i 电源滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参量、源端阻 抗以及负载端阻抗有关。 2 3 4e m i 电源滤波器的反射系数 图2 - 9 所示为e m i 电源滤波器的工作原理。当滤波器的输入阻抗z 。与负载端 阻抗r 。相等时，两者匹配，此时负载端无反射。当z 。r 。时，电路失配，则负 载端会产生反射，定义反射系数r 为： r = 怪z 型o t 二+ 划r l 臣 滤 波 器 ( 2 1 0 ) 幽2 - 9e m i 电源滤波器f 作原理 在图2 9 中，用r 表示源端对滤波网络的反射系数，r 2 表示负载端对滤波网 第二章e m i 电源滤波器网络及其插损分析 11 由图2 - 8 ( b ) 可得： 由以上各式联立解得 将_ 、代入式( 2 - 8 ) 得 v l = a 1 1 v 2 一a t 2 1 2 i l 2a 2 1 v 2 一a2 2 i2 v l = v s i i rs v 2 = 一i2 r l u 划1 0 9 j 丛生剥rr 掣坐叫t d b ) 协， q l。+1 由上式可知，e m i 电源滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参量、源端阻 抗以及负载端阻抗有关。 2 3 4e m i 电源滤波器的反射系数 图2 - 9 所示为e m i 电源滤波器的工作原理。当滤波器的输入阻抗z 。与负载端 阻抗r 。相等时，两者匹配，此时负载端无反射。当z 。r 。时，电路失配，则负 载端会产生反射，定义反射系数r 为： r = 怪z 型o t 二+ 划r l 臣 滤 波 器 ( 2 1 0 ) 幽2 - 9e m i 电源滤波器f 作原理 在图2 9 中，用r 表示源端对滤波网络的反射系数，r 2 表示负载端对滤波网 12e m i 电源滤波器戈键技术研究 络的反射系数讨论以下三种情况： ( 1 ) 对直流电源和频率为5 0 h z 或4 0 0 h z 的交流电源而言，要求滤波网络无 损耗传送。此时：f i = f 2 = 0 ，r s = z 护rl = z 。 ( 2 ) 为了滤除电网传来的高频e m i 信号，要求： r 。= z 。，r 1 = 0 电网上的干扰全部传入滤波网络； r 。与z 。差别很大f 2 = l ，滤波网络吸收全部干扰( 负载端全反射) 。 ( 3 ) 为了抑制电子设备内产生的高频e m i 信号要求： r 。= z 。，f 2 = 0 电子设备中的干扰全部传入滤波网络； r 。与z 。差别很大，r i = l ，滤波网络吸收全部干扰( 源端全反射) 。 在工程实际中，由于源端和负载端的阻抗值随时间、场合及频率大范围变化， 难以找到一个滤波网络，同时满足上述三个要求。但是对e m i 信号的反射，会增 加对e m i 信号的衰减。反射损耗加上电源滤波器固有的插入损耗，就可以实现对 e m i 信号更加有效的抑制。 2 4 滤波器件的高频分布参数 元器件在低频状态下，一般作为理想器件，即当作纯电阻、纯电感、纯电容 来考虑。但在较高频率状态下，器件特性已远远偏离其理想特性，必须考虑高频 分布参数对器件特性的影响。在e m i 电源滤波器中，主要的元器件是电感和电容， 本节讨论电感和电容的高频分布参数及其对滤波器性能的影响。 2 4 1电感器高频等效电路 电感器通常绕制成线圈形式，按其所环绕的磁芯来分类，最常用的是空气磁 芯和磁性磁芯。在一个很宽的频率范围内，电感具有线圈的直流电阻r l 和分布电 容c p ，其性质可以用图2 - 1 0 所示的等效电路来描述。 幽2 1 0 高频电感等效电路 电感绕组匝与匝之间的导线通过空气、绝缘层和骨架而存在着分布电容。此 12e m i 电源滤波器戈键技术研究 络的反射系数讨论以下三种情况： ( 1 ) 对直流电源和频率为5 0 h z 或4 0 0 h z 的交流电源而言，要求滤波网络无 损耗传送。此时：f i = f 2 = 0 ，r s = z 护rl = z 。 ( 2 ) 为了滤除电网传来的高频e m i 信号，要求： r 。= z 。，r 1 = 0 电网上的干扰全部传入滤波网络； r 。与z 。差别很大f 2 = l ，滤波网络吸收全部干扰( 负载端全反射) 。 ( 3 ) 为了抑制电子设备内产生的高频e m i 信号要求： r 。= z 。，f 2 = 0 电子设备中的干扰全部传入滤波网络； r 。与z 。差别很大，r i = l ，滤波网络吸收全部干扰( 源端全反射) 。 在工程实际中，由于源端和负载端的阻抗值随时间、场合及频率大范围变化， 难以找到一个滤波网络，同时满足上述三个要求。但是对e m i 信号的反射，会增 加对e m i 信号的衰减。反射损耗加上电源滤波器固有的插入损耗，就可以实现对 e m i 信号更加有效的抑制。 2 4 滤波器件的高频分布参数 元器件在低频状态下，一般作为理想器件，即当作纯电阻、纯电感、纯电容 来考虑。但在较高频率状态下，器件特性已远远偏离其理想特性，必须考虑高频 分布参数对器件特性的影响。在e m i 电源滤波器中，主要的元器件是电感和电容， 本节讨论电感和电容的高频分布参数及其对滤波器性能的影响。 2 4 1电感器高频等效电路 电感器通常绕制成线圈形式，按其所环绕的磁芯来分类，最常用的是空气磁 芯和磁性磁芯。在一个很宽的频率范围内，电感具有线圈的直流电阻r l 和分布电 容c p ，其性质可以用图2 - 1 0 所示的等效电路来描述。 幽2 1 0 高频电感等效电路 电感绕组匝与匝之间的导线通过空气、绝缘层和骨架而存在着分布电容。此 12e m i 电源滤波器戈键技术研究 络的反射系数讨论以下三种情况： ( 1 ) 对直流电源和频率为5 0 h z 或4 0 0 h z 的交流电源而言，要求滤波网络无 损耗传送。此时：f i = f 2 = 0 ，r s = z 护rl = z 。 ( 2 ) 为了滤除电网传来的高频e m i 信号，要求： r 。= z 。，r 1 = 0 电网上的干扰全部传入滤波网络； r 。与z 。差别很大f 2 = l ，滤波网络吸收全部干扰( 负载端全反射) 。 ( 3 ) 为了抑制电子设备内产生的高频e m i 信号要求： r 。= z 。，f 2 = 0 电子设备中的干扰全部传入滤波网络； r 。与z 。差别很大，r i = l ，滤波网络吸收全部干扰( 源端全反射) 。 在工程实际中，由于源端和负载端的阻抗值随时间、场合及频率大范围变化， 难以找到一个滤波网络，同时满足上述三个要求。但是对e m i 信号的反射，会增 加对e m i 信号的衰减。反射损耗加上电源滤波器固有的插入损耗，就可以实现对 e m i 信号更加有效的抑制。 2 4 滤波器件的高频分布参数 元器件在低频状态下，一般作为理想器件，即当作纯电阻、纯电感、纯电容 来考虑。但在较高频率状态下，器件特性已远远偏离其理想特性，必须考虑高频 分布参数对器件特性的影响。在e m i 电源滤波器中，主要的元器件是电感和电容， 本节讨论电感和电容的高频分布参数及其对滤波器性能的影响。 2 4 1电感器高频等效电路 电感器通常绕制成线圈形式，按其所环绕的磁芯来分类，最常用的是空气磁 芯和磁性磁芯。在一个很宽的频率范围内，电感具有线圈的直流电阻r l 和分布电 容c p ，其性质可以用图2 - 1 0 所示的等效电路来描述。 幽2 1 0 高频电感等效电路 电感绕组匝与匝之间的导线通过空气、绝缘层和骨架而存在着分布电容。此 第一二章酬i 屯源滤波器网络及其插损分析1 3 外，绕组与底板屏蔽罩之日j ，多层绕组的层与层之问，也都存在着分布电容。根 据这一等效电路，电感的阻抗为： 弘甍1 兰= 靠 沼， 。 j o , c 9 如图2 - 1 1 所示，在低频段，z l 取决于电感，而在直流段( 珊= 0 ) ，z l 等于r l 。 在珊( 珊。的大部分频段，电感的阻抗与频率成j f 比。在角频率国。，电感l 与分铂 电容c 。发生并联谐振z l 达到最大值。电感器的谐振频率0 9 。为： 弧：。! ( 2 1 2 ) 舻再 一 。 感抗特性窨抗特性 、 。一 、 一一 ，肠b 、 甜三 、 p 夕i - 、? ? ? ? ：， o j o 珊 幽2 - 1 1电感的阻抗一频率曲线 电感阻抗z l 的最大值为： z 。l 。2 击 2 - 1 3 ， 当珊 时，电感的阻抗将减小，此时并联电容占了主导地位，此电感如同 一个电容。 2 4 2 电容器高频等效电路 电容器的主要部分( 一般称为电容器芯子) 是由两个导体( 即极板或称电极) 和隔开它们的介质所组成。按照介质材料的不同，电容器分为电解电容器、纸质 电容器、涤纶电容器、云母电容器、陶瓷电容器等种类。和电感器类似，一个电 第一二章酬i 屯源滤波器网络及其插损分析1 3 外，绕组与底板屏蔽罩之日j ，多层绕组的层与层之问，也都存在着分布电容。根 据这一等效电路，电感的阻抗为： 弘甍1 兰= 靠 沼， 。 j o , c 9 如图2 - 1 1 所示，在低频段，z l 取决于电感，而在直流段( 珊= 0 ) ，z l 等于r l 。 在珊( 珊。的大部分频段，电感的阻抗与频率成j f 比。在角频率国。，电感l 与分铂 电容c 。发生并联谐振z l 达到最大值。电感器的谐振频率0 9 。为： 弧：。! ( 2 1 2 ) 舻再 一 。 感抗特性窨抗特性 、 。一 、 一一 ，肠b 、 甜三 、 p 夕i - 、? ? ? ? ：， o j o 珊 幽2 - 1 1电感的阻抗一频率曲线 电感阻抗z l 的最大值为： z 。l 。2 击 2 - 1 3 ， 当珊 时，电感的阻抗将减小，此时并联电容占了主导地位，此电感如同 一个电容。 2 4 2 电容器高频等效电路 电容器的主要部分( 一般称为电容器芯子) 是由两个导体( 即极板或称电极) 和隔开它们的介质所组成。按照介质材料的不同，电容器分为电解电容器、纸质 电容器、涤纶电容器、云母电容器、陶瓷电容器等种类。和电感器类似，一个电 1 4e m l 电源滤波器关键技术研究 容器也不是一个纯粹的电容( 即使在低频段也如此