電磁干擾濾波器綜述

　　選擇這些器件需要確定干擾的類(lèi)型和來(lái)源，及其適用的標(biāo)準(zhǔn)

　　現(xiàn)在生產(chǎn)的所有電子設(shè)備都包含電磁干擾濾波電路。同樣，所有開(kāi)關(guān)型電源都有內(nèi)部的電磁干擾濾波器。但是，在有些環(huán)境中，這些電子器件的電磁干擾濾波器需要輔助濾波器，以便滿(mǎn)足更加苛刻的電噪聲管制或者保護(hù)器件免受過(guò)多的外部噪聲源干擾。

定義噪聲

　　電磁干擾可以是傳導(dǎo)型的電磁干擾，也就是說(shuō)干擾噪聲沿著電導(dǎo)體、電線、印刷電路的線路或者變壓器、電感、電容、半導(dǎo)體以及電阻器等電子元件傳輸。

　　電噪聲也可以是輻射型電磁干擾（RFI），它像磁場(chǎng)或無(wú)線電波一樣通過(guò)空氣或自由空間傳輸。輻射性電磁干擾通常是由提供金屬屏蔽的方法來(lái)控制的，金屬屏蔽包含設(shè)備外殼內(nèi)的磁場(chǎng)或無(wú)線電波。

滿(mǎn)足電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)

　　使用電磁干擾濾波電路是為了使最終產(chǎn)品滿(mǎn)足適用的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。被引用最多的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)是適用于IT設(shè)備的EN55022，適用于工業(yè)設(shè)備的EN55011以及在美國(guó)國(guó)內(nèi)適用于商品或工業(yè)設(shè)備的FCC的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，或者適用于住宅設(shè)備的FFC的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　FCC的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要比A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格、限制也更多。對(duì)于大部分此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，傳導(dǎo)型電磁干擾頻率范圍通常被定義在150kHz～30MHz之間，正如頻譜分析儀的測(cè)量結(jié)果。在有些情況下，這個(gè)范圍的下限會(huì)低至10kHz。與之形成對(duì)比的是，輻射型電磁干擾通常定義在30MHz～1GHz范圍內(nèi)。

電磁干擾源

　　大部分電氣和電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而且會(huì)受電磁干擾影響。它無(wú)處不在，其中包含交流電動(dòng)機(jī)、熒光燈/鎮(zhèn)流器、調(diào)光器、微波爐、微處理器以及開(kāi)關(guān)型電源。

　　在開(kāi)關(guān)型電源中，高交流電壓將在50kHz～1MHz的較高頻率范圍內(nèi)被截?cái)嗷蜣D(zhuǎn)換。這種高速的開(kāi)關(guān)過(guò)程是開(kāi)關(guān)型電源所固有的，與線性電源相比，它提高了效率并減小了體積。

　　但是，這會(huì)產(chǎn)生一種副作用，即這種開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生有害的電磁干擾。事實(shí)上，開(kāi)關(guān)型電源中大部分傳導(dǎo)型電磁干擾來(lái)源于主開(kāi)關(guān)MOSFET、晶體管以及輸出整流器。

　　無(wú)論是在電源還是在電子設(shè)備的內(nèi)部，保持內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲不向外泄漏以及防止外部交流線路噪聲進(jìn)入設(shè)備，這正是電磁干擾濾波器的功能。電磁干擾濾波器通常由無(wú)源電子元件的網(wǎng)絡(luò)組成，這些元件包括電容和電感，它們組成LC電路。

　　因?yàn)橛泻Φ碾姶鸥蓴_的頻率要比正常信號(hào)頻率高得多，所以電磁干擾濾波器是通過(guò)選擇性地阻攔或分流有害的高頻來(lái)發(fā)揮作用的?；旧?，電磁干擾濾波器的感應(yīng)部分被設(shè)計(jì)作為一個(gè)低通器件使交流線路頻率通過(guò)，同時(shí)它還是一個(gè)高頻截止器件。

　　電磁干擾濾波器的其他部分使用電容來(lái)分路或分流有害的高頻噪聲，使這些有害的高頻噪聲不能到達(dá)敏感電路。最終結(jié)果是，電磁干擾濾波器顯著降低或衰減了所有要進(jìn)入或離開(kāi)受保護(hù)電子器件的有害噪聲信號(hào)。

共模和差模噪聲

　　傳導(dǎo)型電磁干擾主要分為兩種類(lèi)型：共模噪聲（CMN）以及差模噪聲（DMN）。共模噪聲又稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)噪聲或線路對(duì)地的噪聲，在交流輸入的兩端（輸電線和中線）都存在這種噪聲，兩者對(duì)地的相位保持同相。

　　共模噪聲的電流在兩個(gè)輸電線上以相同的方向流動(dòng)并通過(guò)地線返回。共模噪聲可以通過(guò)在電磁干擾濾波器中放置與每條輸電線串聯(lián)的電感并在兩個(gè)輸電線和地之間使用Y電容進(jìn)行連接來(lái)予以抑制。

　　差模噪聲又稱(chēng)為正常型、對(duì)稱(chēng)噪聲或線路間噪聲，它存在于交流線路和中性導(dǎo)線中，二者相位差為180°。差模噪聲的電流沿著一條交流線流出，并沿著另一條交流線返回。在地線中不存在差模噪聲電流。

　　差模噪聲可以通過(guò)在電磁干擾濾波器中使用X電容進(jìn)行抑制，電容連接在輸電線（輸電線和中線）之間，對(duì)差模信號(hào)起到高頻分流的作用。在差模噪聲非常大的情況下，可能需要增加差模抑制電感。有些混合型電感所包含的線圈可以同時(shí)抑制共模和差模噪聲。

寄生噪聲

　　寄生噪聲與電路中意外產(chǎn)生或傳輸?shù)碾娫肼暎ü材Ｔ肼暫筒钅Ｔ肼暎┯嘘P(guān)。例如，安裝在PCB上的開(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件或帶有細(xì)小絕緣體的散熱片可能會(huì)包含少量的寄生或雜散電容元件。

　　這些在高頻處被忽視的雜散電容元件，或者其帶有非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)脈沖上升和下降時(shí)間，會(huì)促進(jìn)寄生噪聲向電路或系統(tǒng)中其他部分的傳輸和耦合。這一點(diǎn)適用于所有的電子元件。

　　例如，在變壓器的線圈之間存在無(wú)法完全消除的少量電容元件。同樣，在電容和印刷電路的線路內(nèi)部，在高頻處會(huì)存在很小的電感元件，它們會(huì)導(dǎo)致有害的寄生噪聲在點(diǎn)與點(diǎn)之間傳播。寄生噪聲是開(kāi)關(guān)型電源以及許多電子OEM產(chǎn)品中共模和差模噪聲的一種主要形成因素。

圖1 原理圖

　　這張?jiān)韴D顯示了一種用于抑制傳導(dǎo)型電磁干擾噪聲的典型電磁干擾濾波器。在圖1中，共模噪聲是通過(guò)使用雙重纏繞的環(huán)形電感來(lái)進(jìn)行抑制的（LCM1和LCM2）。這些電感在單個(gè)鐵芯上的纏繞方式使得它們對(duì)每條交流電線上的同相共模噪聲表現(xiàn)出很高的阻抗。此外，Y電容（CY1和CY2）將高頻共模噪聲分流或分路到地。

　　每條交流電線上的差模噪聲是通過(guò)2個(gè)X電容（CX1和CX2）來(lái)進(jìn)行抑制的，這兩個(gè)電容趨向于將交流輸電線和中線之間存在的非同步高頻差模噪聲中和。在供電切斷之后，這些電容將通過(guò)輸入電阻進(jìn)行放電。

需要額外濾波的情況

　　雖然所有交流或直流電源都帶有符合各種EMC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部電磁干擾濾波器，但是有些情況下，使用這些電源的電路或系統(tǒng)其所產(chǎn)生的電噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)濾波器自身的承受能力。在其他情況中，如果多個(gè)供電電源使用相同的交流電源，那么每個(gè)電源的內(nèi)部電磁干擾濾波器所包含的或沒(méi)有濾除的少量噪聲會(huì)產(chǎn)生疊加，使噪聲超過(guò)可以承受的范圍。

　　此外，有時(shí)進(jìn)入供電電源的交流輸電線帶有很多的噪聲，因此需要額外的電磁干擾濾波器。這種輸入噪聲可能以能量的尖峰或猝發(fā)脈沖形式存在。它可能是自然原因引起的，如雷雨，也可能是人為產(chǎn)生的，如所操作的某個(gè)工業(yè)設(shè)備含有大型的電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、螺線管等。

　　在以上所有情況中，可能需要安裝外部或輔助電磁干擾濾波器，以便將電噪聲降低到可以接受的等級(jí)。這些電磁干擾的考慮事項(xiàng)適用于所有電子產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝。

　　標(biāo)準(zhǔn)的外部電磁干擾濾波器通常帶有單級(jí)LC電路，類(lèi)似于圖1所示電路。較高性能的電磁干擾濾波可能需要兩級(jí)LC電路。此外，如果來(lái)自電動(dòng)機(jī)或電擊的電尖峰會(huì)構(gòu)成潛在威脅，就應(yīng)該使用帶有高電壓脈沖衰減功能的電磁干擾濾波器。

電磁干擾濾波器規(guī)格

　　在選擇電磁干擾濾波器時(shí)，必須考慮許多規(guī)格和額定值。其中包括外殼大小、I/O連接、裝配類(lèi)型、安全部門(mén)許可、工作電壓、工作電流（交流或直流安培）、泄露電流、隔離電阻、能承受的測(cè)試電壓、高壓脈沖或尖峰衰減、工作溫度范圍、直流電阻以及插入損耗。

　　對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用而言，總裝配安裝后的泄漏電流以及可承受的測(cè)試電壓對(duì)于滿(mǎn)足患者安全有關(guān)的EMC需求是非常重要的參數(shù)。

　　這張插入損耗圖顯示了高性能電磁干擾濾波器中衰減隨頻率的變化。

　　電磁干擾濾波器的插入損耗信息如圖2所示，通常以圖表、圖形或表格的方式給出，它顯示了電磁干擾濾波器在工作范圍內(nèi)衰減或抑制傳導(dǎo)型差模和共模噪聲的性能。

圖2 插入損耗圖

電磁兼容性測(cè)試

　　如上所述，大多數(shù)用于傳導(dǎo)型電磁干擾輻射的EMC標(biāo)準(zhǔn)中所指定的常用頻率范圍都是150kHz～30MHz。為了確定某個(gè)電子器件滿(mǎn)足指定標(biāo)準(zhǔn)的限制，必須使用頻譜分析儀和線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）進(jìn)行測(cè)試。
交流電源是通過(guò)LISN連接到待測(cè)設(shè)備的。LISN將測(cè)量阻抗標(biāo)準(zhǔn)化為50Ω并提供了到頻譜分析儀的隔離RF輸出，后者提供了來(lái)自設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射的圖形。