電源噪聲濾波器的基本原理與應用案例

差模電容CX接在交流電進線兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會疊加交流進線之間存在的各種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電容器的安全等級又分為X1和X2兩類，X1類適用于一般場合，X2類適用于會出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應用場合。

共模電容CY接在交流電進線與機殼地之間，要求它們在電氣和機械性能上，應有足夠大的安全余量，萬一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機殼帶上危險的交流電，如設(shè)備的絕緣或接地保護失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對CY電容器的容量要進行限制，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)生電壓擊穿它應處于開路狀態(tài)，而不會使設(shè)備機殼帶電。

綜上所述，在設(shè)計和選擇電網(wǎng)噪聲濾波器時，因為它們工作在高電壓、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、線圈溫升等都應予重視。對于電容器，其電容種類、耐壓、安全等級、容量、漏電流等都應優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過國際安全機構(gòu)安全認證的產(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，國際上各國對此都有嚴格的標準規(guī)定。對于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濾波器與試驗電壓

對于交流電網(wǎng)噪聲濾波器，試驗電壓分為兩種：一種是加在交流進線兩端，即線—線試驗電壓。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線任一端與機殼地之間，即線—地試驗電壓。它主要取決于CY的耐壓。

漏電流和試驗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、生產(chǎn)和使用中，都要特別加以重視，把這些技術(shù)參數(shù)的認證和檢驗放在首位。

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)計和選用時應予主要考慮。在濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機械等條件都滿足要求時，應盡量選擇插入損耗值大些。

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

IL=20log(V1/V2）(1)

因為電源噪聲濾波器能衰減共模和差模噪聲，所以它即有共模插入損耗，又有差模插入損耗。 但在實際選用濾波器時，應注意產(chǎn)品手冊給出的插入損耗曲線，都是按照標準規(guī)定，在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測得的。因為實際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內(nèi)是50Ω，所以它對EMI信號的衰減，并不等于產(chǎn)品手冊中給出的插入損耗值。特別當使用安裝不當時，還會遠遠小于標準給定的插入損耗。

（2）電源噪聲濾波器是一種具有互易性的無源網(wǎng)絡(luò)。在實際應用中為使它有效地抑制噪聲應合理配接。按圖4所示組合來選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，才能得到較好的EMI抑制效果。

當濾波器的輸出阻抗與負載阻抗不相等時，在此端口上會產(chǎn)生反射，兩個阻抗相差越大，端口產(chǎn)生的反射也越大。當濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時，則EMI信號將在其輸入和輸出端都產(chǎn)生反射。這時電源濾波器對電磁干擾噪聲的衰減，就與濾波器固有的插入損耗和反射損耗有關(guān)，可利用這點更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實際設(shè)計和選擇使用EMI濾波器時，要注意濾波器阻抗的正確連接，以造成盡可能大的反射，使濾波器在很寬的頻率范圍內(nèi)造成較大的阻抗失配，從而得到更好的電磁干擾抑制性能。

（3）在電源濾波器的實際應用中，要求其外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接，且應使接地線盡量短，因為過長的接地線會加大接地電阻和電感，而嚴重削減濾波器的共模抑制能力，同時也會產(chǎn)生公共接地阻抗耦合的問題。如圖5所示，接地線過長，則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過大，負載上電壓為：

V0=VZ＋Vg=VZ＋(Ii－IO)Zg(2)

式中：Ii為濾波器交流輸入電路的噪聲電流；

IO為濾波器輸出電路的噪聲電流。

由式（2）可知，電磁干擾信號經(jīng)過濾波器衰減后，在輸出端的噪聲電流大大小于輸入端的噪聲電流，即公共接地阻抗引起的壓降(Ii－IO)Zg將很大，在Zg上將產(chǎn)生一個很高的電磁干擾電壓，經(jīng)過公共接地回路耦合到濾波器的輸出端，從而大大減弱噪聲濾波器對EMI噪聲的抑制能力。

減小公共阻抗耦合的最好方法，就是借助設(shè)備的電磁屏蔽，把噪聲濾波器的輸入端與輸出端隔離開，同時濾波器的接地線要盡量短，這樣既把濾波器輸入與輸出端間存在的電磁耦合降到最低程度，又不破壞設(shè)備的屏蔽結(jié)構(gòu)對于電磁干擾噪聲的抑制作用。

理想的電源噪聲濾波器安裝方式如圖6所示。

（4）綜上所述，電源噪聲濾波器的使用應注意如下幾點：

①濾波器應盡量靠近設(shè)備交流電入口處安裝，應使未經(jīng)過濾波器的交流進線在設(shè)備內(nèi)盡量短；

②濾波器中的電容器引線應盡可能短，以免引線感抗和容抗在較低頻率上產(chǎn)生諧振；

③濾波器接地線上有大的電流流過，會產(chǎn)生電磁輻射，應對濾波器進行良好的屏蔽和接地；

④濾波器的輸入線和輸出線不能捆扎在一起，布線時盡量增大其間距離，以減小它們之間的耦合，可加隔板或屏蔽層。

8結(jié)語

電磁干擾濾波器的設(shè)計和選用，主要依據(jù)噪聲干擾特性和系統(tǒng)電磁兼容性的要求，在了解電磁干擾的頻率范圍，估計干擾的大致量級的基礎(chǔ)上進行。首先要了解濾波器的使用環(huán)境(使用電壓、負載電流、環(huán)境溫濕度、振動沖擊、安裝方式和位置等)，要重點考慮其安全性能參數(shù)，因為關(guān)系到設(shè)備及人身安全。還要使濾波器對EMI噪聲產(chǎn)生最佳的抑制效果。應根據(jù)接入電路的要求，以產(chǎn)生最大阻抗不匹配的原則來選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。為了獲得最佳的電磁噪聲衰減特性，濾波器應該正確地安裝在電子設(shè)備上。