電源噪聲濾波器的基本原理與應(yīng)用方法

3EMI噪聲和濾波器的類型

在電源設(shè)備輸入引線上存在二種EMI噪聲：共模噪聲和差模噪聲，如圖1所示。把在交流輸入引線與地之間存在的EMI噪聲叫作其共模噪聲，它可看作為在交流輸入線上傳輸?shù)碾娢幌嗟取⑾辔幌嗤母蓴_信號(hào)，即圖1的電壓V1和V2。而把交流輸入引線之間存在的EMI噪聲叫作差模噪聲，它可看作為在交流輸入線傳輸?shù)南辔徊?80°的干擾信號(hào)，即圖1中的電壓V3。共模噪聲是從交流輸入線流入大地的干擾電流，差模噪聲是在交流輸入線之間流動(dòng)的干擾電流。對(duì)任何電源輸入線上的傳導(dǎo)EMI噪聲，都可以用共模和差模噪聲來表示，并且可把這二種EMI噪聲看作獨(dú)立的EMI源來分別抑制。

在對(duì)電磁干擾噪聲采取抑制措施時(shí)，主要應(yīng)考慮抑制共模噪聲，因?yàn)楣材Ｔ肼曉谌l域特別在高頻域占主要部分，而在低頻域差模噪聲占比例較大，所以應(yīng)根據(jù)EMI噪聲的這個(gè)特點(diǎn)來選擇適當(dāng)?shù)腅MI濾波器。

電源用噪聲濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印制板上安裝電感線圈、電容器等，構(gòu)成抑制噪聲濾波器。到底采用哪種形式要根據(jù)成本、特性、安裝空間等來確定。一體化式成本高，特性較好，安裝靈活；分立式成本較低，但屏蔽不好，可自由分配在印制板上。

4噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)

電源EMI噪聲濾波器是一種無源低通濾波器，它無衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫矗蟠笏p隨交流電傳入的EMI噪聲；同時(shí)又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EMI噪聲，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備。

單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由集中參數(shù)元件組成的四端無源網(wǎng)絡(luò)，主要使用的元件是共模電感線圈L1、L2，差模電感L3、L4，以及共模電容CY1、CY2和差模電容器CX。若將此濾波器網(wǎng)絡(luò)放在電源的輸入端，則L1與CY1及L2與CY2分別構(gòu)成交流進(jìn)線上兩對(duì)獨(dú)立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進(jìn)線上存在的共模干擾噪聲，阻止它們進(jìn)入電源設(shè)備。共模電感線圈用來衰減交流進(jìn)線上的共模噪聲，其中L1和L2一般是在閉合磁路的鐵氧體磁芯上同向卷繞相同匝數(shù)，接入電路后在L1、L2兩個(gè)線圈內(nèi)交流電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通飽和，又使這兩個(gè)線圈的電感值在共模狀態(tài)下較大，且保持不變。

差模電感線圈L3、L4與差模電容器CX構(gòu)成交流進(jìn)線獨(dú)立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來抑制交流進(jìn)線上的差模干擾噪聲，防止電源設(shè)備受其干擾。

圖2所示的電源噪聲濾波器是無源網(wǎng)絡(luò)，它具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網(wǎng)與電源之間，相當(dāng)于這二者的EMI噪聲之間加上一個(gè)阻斷屏障，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的無源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用，從而在各種電子設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。

5噪聲濾波器的主要設(shè)計(jì)原則

共模電感線圈使用的磁芯有環(huán)形、E形和U形等，材料一般采用鐵氧體，環(huán)形磁芯適用于大電流小電感量，它的磁路比E形和U形長(zhǎng)，沒有間隙，用較少的圈數(shù)可獲得較大的電感量，由于這些特點(diǎn)它具有較佳的頻率特性。而E形磁芯的線圈泄漏磁通小，故當(dāng)電感漏磁有可能影響其它電路或其它電路與共模電感有磁耦合，而不能獲得所需要的噪聲衰減效果時(shí)應(yīng)考慮采用E形磁芯作成共模電感。

差模電感線圈一般采用金屬粉壓磁芯，由于粉壓磁芯適用頻率范圍較低，在幾十kHz～幾MHz，其直流重疊特性好，在大電流應(yīng)用時(shí)電感量也不會(huì)大幅下降，最適合作為差模電感。

圖2中，電源噪聲濾波器使用二種電容器，CX、CY1和CY2，它們?cè)跒V波器中的作用不同，還有不同的安全等級(jí)要求，因此其性能參數(shù)直接與濾波器的安全性能有關(guān)。

差模電容CX接在交流電進(jìn)線兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會(huì)疊加交流進(jìn)線之間存在的各種EMI峰值電壓。所以該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高，同時(shí)要求該電容器失效后，不能危及后面電路及人身安全。CX電容器的安全等級(jí)又分為X1和X2兩類，X1類適用于一般場(chǎng)合，X2類適用于會(huì)出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。

共模電容CY接在交流電進(jìn)線與機(jī)殼地之間，要求它們?cè)陔姎夂蜋C(jī)械性能上，應(yīng)有足夠大的安全余量，萬一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機(jī)殼帶上危險(xiǎn)的交流電，如設(shè)備的絕緣或接地保護(hù)失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對(duì)CY電容器的容量要進(jìn)行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求其應(yīng)有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬一發(fā)生電壓擊穿它應(yīng)處于開路狀態(tài)，而不會(huì)使設(shè)備機(jī)殼帶電。

綜上所述，在設(shè)計(jì)和選擇電網(wǎng)噪聲濾波器時(shí)，因?yàn)樗鼈児ぷ髟诟唠妷?、大電流、惡劣的電磁干擾環(huán)境中，首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對(duì)于電感線圈，其磁芯、繞線的材料，絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應(yīng)予重視。對(duì)于電容器，其電容種類、耐壓、安全等級(jí)、容量、漏電流等都應(yīng)優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過國(guó)際安全機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證的產(chǎn)品。

6濾波器的安全性能參數(shù)

6.1濾波器與漏電流

電網(wǎng)濾波器漏電流定義為：在額定交流電壓下，濾波器外殼到交流進(jìn)線任一端的電流。如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的，則漏電流的值，主要取決于共模電容CY的漏電流，即主要取決于CY的容量。由于濾波器漏電流的大小，涉及到人身安全，國(guó)際上各國(guó)對(duì)此都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對(duì)于220V/50Hz交流電網(wǎng)供電，一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。

6.2濾波器與試驗(yàn)電壓

對(duì)于交流電網(wǎng)噪聲濾波器，試驗(yàn)電壓分為兩種：一種是加在交流進(jìn)線兩端，即線—線試驗(yàn)電壓。若電感線圈及引線是絕緣良好的，它主要取決于電容器CX的耐壓；另一種是加在交流進(jìn)線任一端與機(jī)殼地之間，即線—地試驗(yàn)電壓。它主要取決于CY的耐壓。

漏電流和試驗(yàn)電壓都是噪聲濾波器的安全性能參數(shù)，是濾波器中電感線圈、絕緣和電容器CX、CY安全性能的具體表現(xiàn)，并且與設(shè)備及人身安全緊密相關(guān)。因此在電網(wǎng)噪聲濾波器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用中，都要特別加以重視，把這些技術(shù)參數(shù)的認(rèn)證和檢驗(yàn)放在首位。

7濾波器的技術(shù)參數(shù)及正確使用

（1）插入損耗是噪聲濾波器的重要技術(shù)參數(shù)之一，在設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)予主要考慮。在濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機(jī)械等條件都滿足要求時(shí)，應(yīng)盡量選擇插入損耗值大些。

插入損耗的定義如圖3所示，當(dāng)沒接濾波器時(shí)，信號(hào)源輸出電壓為V1，當(dāng)濾波器接入后，在濾波器輸出端測(cè)得信號(hào)源的電壓為V2。若信號(hào)源輸出阻抗與接收機(jī)輸入阻抗相等，都是50Ω，則濾波器的插入損耗為：

IL=20log(V1/V2）(1)

圖3插入損耗的定義