电磁干扰滤波器的设计 admin    18/09/07



一.电源噪声及其抑制方法

     目前,随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现与广泛普及,电磁干扰正日益 严重并形成一种公害,因为这种干扰可导致电子设备无法正常工作。特别是瞬态电磁干 扰,其电压幅度高(几百伏至上千伏)、上升速率快、持续时间短、随机性强,容易对 数字电路产生严重干扰,常使人们防不胜防,这已引起国内外电子界的高度重视。

    电源噪声是电磁干扰(EMI)的一种,它属于射频干扰(RFI),其传导噪声的频谱 大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。根据传播方向的不同,电源噪声可分为两 大类:一类是从电源进线引入的外界干扰,另一类是由电子设备产生并经电源线传导出 去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号,电子设备既是噪声干扰的对象,又是一个噪 声源。若从形成特点看,噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线 之间(简称线对线)的噪声,共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。 因此,EMI滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求,也必须是双向射频滤波器,一 方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰,另一方面还能避免本身设备向外部发 出噪声干扰,以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外,电磁干扰滤波 器应对串模干扰和共模干扰都起到抑制作用。

    电磁干扰滤波器(EMI Filter)亦称电源噪声滤波器(Power Noise Filter,英文缩 写为PNF),是近年来被推广应用的一种组合器件,它能有效地抑制电网噪声,提高电 子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。因此,被广泛应用于开关电源、电子测量仪器、 计算机机房设备等领域。EMI滤波器是由电容器、电感等元件组成的,其优点是结构 简单,成本低廉,便于推广应用。

    简易EMI滤波器采用单级(亦称单节)式结构;复杂EMI滤波器采用双级(亦称 双节)式结构,内部包含两个单级式EMI滤波器,后者抑制电网噪声的效果更好。

二.简易电磁干扰滤波器的设计

1.EMI滤波器的基本电路

    EMI滤波器的基本电路及典型应用图解分别如图3—2—1和图3—2—2所示。该五端 器件有两个输入端,两个输出端和一个接地端,使用时外壳应接通大地。电路中包括共 模扼流围(亦称共模电感)L、滤波电容器C1~C4。L对串模干扰不起作用,但当出现 共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共 模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流围。它的两个线圈分别绕在低 损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时,两个线圈上产生的磁场就会互 相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关,参见表3—2—1。需要指出,当 额定电流较大时,共模扼流围的线径也要相应增大,以便能承受较大的电流。此外,适 当增加电感量,可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器,容量范围大致是 0.01~0.47uF,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端,并将电容器的中点接 通大地,能有效地抑制共模干扰。C3和C4的容量范围是2200pF~0.1uF。为减小漏电 流,电容器量不宜超过0.1uF。C1~C4的耐压值均为630v DC或250v AC。

图3-2-1  EMI滤波器的基本电路

    

图3-2-2  EMI滤波器典型应用图解

    

表3-2-1  电感量范围与额定电流的关系

额定电流I(A)136101215
MY电感量范围L(mH)8~232~40.4~0.80.2~0.30.1~0.150.05~0.08

2.EMI滤波器的主要参数

    EMI滤波器的主要技术参数有:额定电压,额定电流,漏电流,测试电压,绝缘电阻, 直流电阻,使用温度范围,工作温升(Tr),插入损耗(AdB),外形尺寸,重量。上述参数 中最重要的是插入损耗(亦称插入衰减),它是评价EMI滤波器性能优劣的主要指标。

    插入损耗(AdB)表示插入EMI滤波器前后负载上噪声电压的对数比,并且用dB 表示,分贝值愈大,说明抑制噪声干扰的能力愈强。设EMI滤波器插入前后传输到负 载上噪声电压分别为U1、U2,且U2<<U1。在某一频率下计算插入损耗的公式为

AdB = 20lg(U1/U2)      (3-2-1)

    由于插入损耗(AdB)是频率的函数,理论计算比较烦琐且误差较大,通常是由生 产厂家进行实际测量,根据噪声频谱逐点测出所对应的插入损耗,然后绘出典型的插入 损耗曲线,向用户提供。图3-2-3给出一条典型曲线。由图可见,该产品可将1— 30MHz的噪声电压衰减65dB。

图3-2-3  典型的插入损耗曲线

    最后需要说明几点:

    (1)EMI滤波器的插入损耗曲线还有另一种画法,它所定义的AdB=|201g(U2/U1|, 因AdB本身为负值,故需要取绝对值,其曲线形状与图3—2—3中的曲线形状是 以X轴为对称的。插入损耗的单位常用电压电平dB(uV)或dB(uV)来表示,定义dB (uV)=201g(UO/1uV),UO的单位是uV,这里将luV规定为0dB(1uV)。

    (2)共模扼流围的结构和等效电路如图3—2—4(a)、(b)所示。采用共模扼流围还 具有另一显著优点,就是在它的共模电感L上还串联一个等效串模漏感LO,LO相当于 固有的串模扼流圈,能对串模干扰起到抑制作用而不需另外再增加一个分立式串模扼流 圈。L就等于将其中一个绕组开路后,测量另一绕组所得到的电感量。LO就等于将其 中一个绕组短路后,测量另一个绕组所得到的电感量再除以2。

图3-2-4  共模扼流圈的结构

    (3)开关电源典型产品的EMI波形图如图3-2-5所示,图中最上面两条线分别代

图3-2-5  EMI波形图

    表CISPR228/EN55022B国际测试标准所规定的峰值极限边界(QP曲线)、平均值极限 边界(AV曲线),要求被测电源峰值波形的幅度不得超过峰值极限边界,平均值波形 的幅度不得超过平均值极限边界。

    (4)计算EMI滤波器对地漏电流的公式为

ILD=2πfCUC       (3-2-2)

    式中:ILD为漏电流;f为电网频率。以图3-2-l为例,f=50Hz,C=C3+C4= 4400(pF),UC是C3、C4上的压降,亦即输出端对地电压,可取UC&Asymp;220v/2=ll0v。 由式(3—2—2)不难算出,此时漏电流ILD=O.15mA。C3和C4若选4700pF,则c= 4700pF×2=9400pF,ILD=0.32mA。显然,漏电流与C成正比。对漏电流的要求是越 小越好,这样安全性高。电子设备所规定的最大漏电流为250uA~3.50mA,具体数 值视电子设备类型而定。按照IEC950国际标准的规定,II类设备(不带保护接地线) 的最大漏电流为250uA;I类设备(带保护接地线)中的手持式设备为750uA,移动 式设备(不含手持式设备)为3.50mA。但对于电子医疗设备漏电流的要求更为严格。

    (5)EMI滤波器的额定电流还与环境温度TA有关。例如国外有的生产厂家就给出 下述经验公式

I=I1[(85-TA)/45]0.5      (3-2-2)

    式中:I1为40℃时的额定电流。例如,当TA=50℃时,I=0.88I1;而当TA=25℃时 I=1.15I1。这表明,额定电流值随温度的降低而增大,这是由于散热条件改善的缘故 反之亦然。

3.几种简易EMI滤波器的性能比较

    为降低成本和减小体积,开关电源一般采用简易EMI滤波器,主要包括共模扼流 圈L和滤波电容。开关电源常用的4种简易EMI滤波器电路分别如图3-2-6(a)~ (d)所示。以图(c)为例,L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。 当出现共模干扰时,由于L中两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增 大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流围。它的两个线 圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。R为泄放电阻,可将C上积累的电荷 泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电, 保证使用的安全性。

图3-2-6  4种简易EMI滤波器电路

    加EMI滤波器前、后干扰波形的比较如图3-2-7所示。曲线a为不加EMI滤波器 时开关电源上0.15—30MHz传导噪声的波形(即电磁干扰峰值包络线)。曲线b、c分 别是插入如图3-2-6(b)、(d)所示EMI滤波器后的波形,它能将电磁干扰衰减50~ 70dBuV。显然,这种EMI滤波器的效果更佳。

图3-2-7  加EMI滤波器前、后干扰波形的比较

三.复杂电磁干扰滤波器的设计

    一种复合式EMI滤波器的内部电路如图3-2-8所示,由于采用双级滤波,因此滤 除噪声的效果更佳。

图3-2-8  一种复合式EMI滤波器的内部电路

    一种专供300W大屏幕液晶电视机开关电源使用的EMI滤波器电路如图3-2-9所 示,它也属于复合式EMI滤波器。L1—L3均为共模扼流围。C1、C2、C5和C6用于滤 除共模干扰,C3、C4和C7用来滤除串模干扰。压敏电阻器Rv用来抑制浪涌电压,RT 为具有负温度系数的功率热敏电阻。

图3-2-9  一种专供300W大屏幕液晶电视机开关电源使用的EMI滤波器电路

    针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态群脉冲干扰的问题,最近国 内外还开发出群脉冲滤波器(亦称群脉冲对抗器),能对上述干扰起到抑制作用。



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