EMI滤波器设计专题

EMI 滤波器设计专题 华南理工大学电力学院 Andrew Zhang 1 EMI 滤波器基本概念 电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径 通过电源线 电网的干扰 可以传入设备 干扰设备的正常工作 同样设备产生的干扰也可能通过电源线 传到电网上 干扰其他设备的正常工作 因此 必须在设备的电源进线处加入 EMI 滤波器 这种滤波器是低通滤波器 它只允许设备正常工作频率信号进入 设备 一般来说就是工频 50Hz 60Hz 或者中频 400Hz 而对高频的干扰信 号有较大的阻碍作用 由此我们知道 EMI 的作用主要有两个 a 抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响 b 抑制设备 本文主要指高频开关电源 对交流电网的干扰 2 干扰的分类 一般我们常把干扰分为共模干扰和差模干扰两大类 所谓共模干扰就是任 何载流导体与参考地之间不希望有的电位差 而差模干扰则是任何两个载流导 体之间不希望有的电位差 这两种干扰的来源可以从以下两个方面进行考虑 2 1 共模干扰的来源 架空导线载传输的过程中会受到周围空间电磁环境的辐射 火线 中线 和安全地上所感应的信号的幅值和相位几乎是相等的 由于安全地线要和大 地相连接 所以就形成了火线 中线和安全地之间的共模干扰 2 2 差模干扰的来源 共用一条输电线的不同设备 当其中的某一设备进行切换操作时 火线 和中线之间会形成幅值大致相等而相位相反的信号 这种信号就是差模干扰 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 EMI 滤波器设计 3 1 EMI 滤波器的典型结构 EMI 滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器 它能让低频的有 用信号顺利通过 而对高频干扰有抑制作用 怎样才能抑制这些高频干扰 信号呢 无非就是要在信号进入设备之前把它遏制 也就是说 在输入电 路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配 在开关电源中常用的 EMI 滤波器 的结构如图 1 所示 图 1 EMI 滤波器的典型结构 图中的 L 就是共模电感 它是在同一个磁环上绕制两个绕向相反 匝数相 同的线圈所形成的 如图 2 所示 它只对共模干扰有抑制作用 对差模干 扰却没有抑制作用 这是为什么呢 我们可以从物理的角度来解释 图 2 共模电感 环形电感比较难画 这是截来的图片 电流和磁通都没有画上去 见谅 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 2 中的 由右手螺旋定则可知 两个线圈产生的磁通 实线所示 顺向串连磁通 相加 电感呈现出高阻抗 阻止共模干扰进入开关电源 同时也阻止了开 关电源所产生的干扰向电网扩散 以免污染交流电网 而差模干扰电流 和在 L1 和 L2 中所产生的磁通如图中和 虚线所示 它们反向 串连 磁通相互抵消 感抗为零 差模干扰和工频交流电在形式上是一样 的 所以共模电感对差模干扰和工频交流有用信号都没有影响 3 2 EMI 滤波器的性能指标 任何一种产品都有它特定的性能指标 或者是客户所期望的 或者是 某些标准所规定的 我们设计产品的技术目标就是满足这些指标就可以了 所谓的 看菜吃饭 量体裁衣 EMI 滤波器最重要的技术指标是对干扰 的抑制能力 常常用所谓的插入损耗 Insertion Loss 来表示 它的定 义是 没有接入滤波器时从干扰源传输到负载的功率 P1 和接入滤波器后从 干扰源传输到负载的功率 P2 之比 用分贝 dB 表示 图 3 EMI 等效原理图 其中 1 所以 2 由图 3 a 可知 3 图 3 b 是一个二端口网络 它的传输方程为 4 又因为有 5 由 2 5 式可知 6 所以 7 由 7 式可以看出 EMI 滤波器的插入损耗与滤波网络的网络参量以及源 端和负载端的阻抗有关 为避免滤除有用信号 插损指标须谨慎提出 不论 是军用还是民用 EMC 标准 对设备或分系统的电源线传导干扰电平都有明 确的规定 预估或测试获得的 EMI 传导干扰电平和标准传导干扰电平之间的 差值即所需的 EMI 滤波器的最小插损 然而 对不同的单台设备都进行 EMC 测试 而后分析其传导干扰特性 设计合乎要求的滤波器 这在实际工程中 显然是不可能的 事实上 国家标准中规定了电源滤波器插入损耗的测试方 法 在标准测试条件下 一般军用电源滤波器应满足 10kHz 30MHz 范围内 插入损耗 30 60dB 工程设计人员只需要根据实际情况选择合适的滤波器 3 3 EMI 滤波器设计原理 在图 3 b 中我们把滤波器等效成为一个而端口网络 它的输入阻抗为 输出阻抗为 由信号传输理论可知 如果输入端和输出端的阻抗不 相等 这就是前面所提及的阻抗失配 高频信号就会在输入端产生反射 定义其反射系数为 8 显然 和相差越大便越大 信号反射越大 高频的干扰信号就 越难通过 根据图 3 b 所示的二端口网络模型的阻抗表达方式 9 得到 10 这样 通过调节网络参数 就可以在一定的范围内使得阻抗失配 总的来说 滤波器的设计要遵循以下的原则 源内阻是高阻抗的 则 滤波器的输入阻抗就应该是低阻抗的 反之也同样成立 4 EMI 滤波器的元件选择 4 1 滤波电容的选择 与一般的滤波器不同 图 1 所示的 EMI 滤波器典型结构中电容使用了 两种下标 和 接于相线和中线之间 称为差模电容 接于相 线或中线与地之间 称为共模电容 下标 X 和 Y 不仅表明了它在滤波电路 中的作用 还表明了它在滤波电路中的安全等级 在设计或选用滤波器时 都必须充分考虑这两类电容的安全性能 因为它直接关系到滤波网络的安 全性能 4 1 1 差模电容器的选择 指的是应用于这样的场合 当电容失效后 不会导致电击穿现象 不会危及人生安全 除了要承受电源相线与中线的电压之外 还要承受 相线与中线之间各种干扰源的峰值电压 根据差模电容应用的最坏情况和 电源断开的条件 电容器的安全等级又分为和两个等级具体规 定见表 1 所以设计滤波器时应根据不同的应用场合来选择不同安全等级的 电容器 表 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 C0 33uF VP kV CX2VP 1 2kV一般场合1 4kV 若的安全性能 即耐压性能 欠佳 在上述的峰值电压出现时 它 有可能被击穿 它的击穿虽然不危及人生安全 但会使得滤波器的功能下 降或丧失 通常 EMI 滤波器的差模电容必须经过 1500 1700V 直流电压 1 分钟耐压测试 4 1 2 共模电容及其漏电流控制 用于电子设备电源的 EMI 滤波器共模滤波性能常常受到共模电容的 制约 电容即跨接在相线或中线与安全地之间的电容 接地的电流主要 就是指流过共模电容的电流 由于流过电容的电流由电源电压 电源频 率和电容值共同决定 所以漏电流可以由下式估算 11 其中为 电源电压 为电源频率 由于漏电流的大小对于人生安全至关重要 不同国家对不同电子设备 接地漏电流都做了严格的规定 若对最大漏电流做出了规定 则可由 11 式可以求出最大允许接地电容值 即电容的值 12 如 GJB151A 97 中规定 每根导线的线与地之间的电容值 对于 50Hz 的设 备 应小于对于 400Hz 的设备 应小于 对于负载小于 0 5kW 的设备 滤波电容量不应超过 标准中的规定除了要满足 12 式外 还要求电容在电气和机械安全方面有足够的余量 避免在极端恶劣的条 件下出现击穿短路的现象 因为这种电容要跟安全地相连 而设备的机壳也 要跟安全地相连 所以这种电容的耐压性能对保护人生安全有至关重要的作 用 一旦设备或装置的绝缘失效 可能危及到人的生命安全 因此电容 要进行 1500 1700V 交流耐压测试 1 分钟 4 2 滤波电感的选择 电感的取值 材料的选取原则从以下几个方面考虑 第一 磁芯材料的 频率范围要宽 要保证最高频率在 1GHz 即在很宽的频率范围内有比较稳 定的磁导率 第二 磁导率高 但是在实际中很难满足这一要求 所以 磁 导率往往是分段考虑的 磁芯材料一般是铁氧体或者铁粉芯 更好的材料如 微晶等 5 EMI 滤波器应用中应注意的事项 EMI 电源滤波器在应用时一定得注意滤波器的安装问题 因为如果滤波器 安装得不合适反而会得到一个更差的效果 a 为了滤波器的安全可靠工作 散热和滤波效果 除滤波器一定要安装在 设备的机架或机壳上外 滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致 并 尽量缩短滤波器的接地线 若接地点不在一处 那么滤波器的泄漏电流和噪声 电流在流经两接地点的途径时 会将噪声引入设备内的其他部分 其次 滤波 器的接地线会引入感抗 它能导致滤波器高频衰减特性的变坏 所以 金属外 壳的滤波器要直接和设备机壳连接 如外壳喷过漆 则必须刮去漆皮 若金属 外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳滤波器时 它与设备机壳的接地线 应可能短 b 滤波器要安装在设备电源线输入端 连线