电源噪声滤波器的设计与实现

电源噪声滤波器的设计与实现作者：于心亮，范义伟，黄启俊（武汉大学物理科学与技术学院，武汉湖北，430072）摘要：分析了电源噪声滤波器的基本原理，并对一个电源噪声滤波器实例进行了优化设计，经测试表明该滤波器对10kHz以上的电网噪声衰减效果能达到27dB，对1MHz的噪声衰减效果能达到80dB。关键词：电源噪声，滤波器，设计，测试Abstract:AccordingtothebasicelementsofthePowerNoiseFilter,weoptimizeanexampletoproveitsfunction.Theresultshowsthatthatfiltercanweakennoiseabove100kHzby27dB.Keywords:PowerNoise,Filter,Design,Test0引言现代社会中电子、电力电子、电气设备的应用越来越广泛，这些设备一方面既给人们的生活带来了极大的便利，同时它们在运行中所产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满了整个空间，形成复杂的电磁环境，使得对电子设备的电磁兼容性的要求也在不断的提高。【1】电子设备在电磁噪声干扰的作用下有多种表现，在模拟电路中可以引起信号波形的畸变失真，信噪比变坏，严重时信号甚至会完全被电磁干扰所淹没。噪声干扰也会使得数字电路系统中的误码率上升，逻辑电平紊乱，降低系统信息的可靠性，极端情况下将导致失控或误控操作的严重后果，危及到人身安全。近年来推广采用的抑制电网噪声的电源噪声滤波器技术，具有结构简单、体积小、滤除噪声效果好等诸多优点，能够有效的抑制电网噪声，增强电子设备对噪声干扰的抗干扰能力。例如符合德国VDE标准的电源滤波器对30kHz～30MHz范围内的噪声插入损耗能够达到20～100dB。1电源噪声滤波器的基本结构及原理电源噪声属于电磁干扰中的一种，其噪声频谱范围一般是在10kHz到30MHz之间，最高噪声频率可达150MHz【2】。从示波器对电网电压的直接观测中可以明显看出，市电并非是纯净的50Hz理想正弦波，而是在工频上叠加了各种频率噪声干扰的正弦波。从广义范围上来看，电源噪声滤波器所起的作用相当于是一个由电感、电容组成的无源低通滤波器，它能够将市电中的工频部分无衰减地传输到后级电路中去，同时大幅度衰减或完全滤除由电源输入端引入市电中的干扰噪声，并能阻止电子设备产生的干扰噪声通过电源线反串入电网中，污染了初级的电源环境。不同结构形式的电源噪声滤波器的主要区别在于电容与电感的连接方式不同，电路结构通常所采用的方式有π形、T形及L形（如图1所示），有些情况下还可以采用它们间的组合来增强滤波效果【3】。电源噪声滤波器的效率不仅要考虑其基本结构，而且还要进一步考虑其所连网络两端的阻抗大小，并根据源阻抗及负载阻抗的不同依照阻抗最大失配原则来选择正确的接法，两者阻抗差别越大，滤波器的滤波效果也就越好。【4】对于实际电网中存在的差模干扰和共模干扰两种噪声干扰，由于具有不同的干扰特点，电源噪声滤波器中一般需要采用不同的结构来对两种噪声干扰分别进行抑制。最基本的差模干扰滤波电路就是在扼流圈之前，即在相线和中线之间跨接电容，如图2(a)所示。最基本的共模干扰滤波电路是在电源线的相线和中线上均串入扼流圈，而且分别通过接电容至地，如图2(b)所示。但是无论是对于共模滤波电路还是差模滤波电路，在设计中一般都要考虑设计成共轭滤波器的形式。因为这样的结构对于工频电压来说，任何时候电源线之间的电流都是大小相等，方向相反的，磁芯中的磁通相互抵消而不呈现阻抗，避免了因为滤波器的引入而在电源端产生附加的压降。2电源噪声滤波器的电路设计电源噪声滤波器最主要的性能参数就是滤波器的插入损耗，即插入电源噪声滤波器后噪声干扰的衰减程度，这也是在实际设计和使用电源噪声滤波器中最需要考虑的因素之一。一般可以用电压幅值的比值来计算表示插入损耗，其值越大，表示滤波器抑制噪声干扰的能力越强。电源噪声滤波器在设计使用时另一项需要引起注意的参数是流过滤波器中漏电流的大小，出于安全角度的考虑，漏电流的值要尽可能的小。按照使用场所的不同，在可移动设备上的滤波器的漏电流值应小于1mA，对于装在固定位置且接地设备上的滤波器，漏电流值应小于3.5mA。【5】按照电源噪声滤波器的基本原理，设计的滤波器如下图3所示：在设计中考虑到普通电源噪声滤波器对浪涌电压的抑制能力较差，特别是当浪涌电压上升缓慢且宽度较大时，容易出现阻抗不匹配，使电感线圈达到磁饱和，所以在电源噪声滤波器输入端增加了一个压敏电阻R1以抑制浪涌电压（也可选用半导体材料浪涌电压抑制管，效果会更好一些）。电路的第一级是采用差模滤波电感LC1、LC2和差模滤波电容CX1组成的差模干扰滤除回路。由于差模电容CX1的作用，差模干扰电流将通过电容流回电源线而不流入电子设备中。在后级电路中为进一步滤除残余的差模干扰，又分别并联两个差模电容CX2、CX3以加强滤波效果。差模电容使用的类型是陶瓷电容，考虑到其上的实际电压值是额定交流电压和电磁干扰峰值电压的叠加值，因此要求差模电容有足够高的耐压值，一般不低于630VDC。电容容量值可按照所抑制的噪声电压频率下限值来确定，其值越大，滤波器的插入损耗也就越大。差模电感中铁芯使用的是金属粉压磁芯，因为其初始磁导率受频率影响小，高频工作下损耗大，直流重叠特性好，大电流应用时电感量也不会大幅度下降，且适用频率范围较低。依流过电感的电流值不同，设计中的电感值可以取为几mH～几十mH。为了加强对共模噪声的抑制，后级电路中的共模滤波电路设计成了两级相同的滤波结构，LD1、CY1、CY2和LD2、CY3、CY4。这样做一方面可以使得共模干扰更加充分地被滤除，另外一方面使用两级结构的滤波电路，可以使得电源噪声滤波器内部保持在相对稳定的阻抗点上，减少负载及源阻抗对电源噪声滤波器的影响，提高其对强噪声干扰的抑制能力。虽然两级共模滤波电路的电路结构完全相同，但是两者的元件参数选择并不同，有所考虑的是通过选取合适的不同参数，使得电源噪声滤波器对不同频率范围内的共模噪声干扰都能兼顾取得良好的滤除效果。电路的两个共模扼流圈LD1和LD2，一般都选用损耗低且导磁率高的铁氧体磁芯。主要是因为流过扼流圈中的共模电流的磁通方向相同，因此扼流圈对共模信号呈现较大的感抗，从而起到滤除共模信号的作用。共模扼流圈的电感值也需要按照滤波器的额定电流大小来考虑，适当增加电感值可以改善低频噪声端的衰减特性。设计中共模电容的类型仍是陶瓷电容，由于控制其值的大小，就可以控制流过滤波器中漏电流的大小（漏电流，-电源频率，-电源电压）【6】，因此共模电容也就是在设计时控制流过电源噪声滤波器漏电流的主要手段。一般为了减少漏电流，共模电容量不得超过0.1μF。抑制低频噪声时，理论上电源滤波器的电感和电容的参数选的越大，滤波效果越好。但在实际应用中，容量大的电容一般寄生电感也大，自谐振频率低，对高频噪声的去耦效果差，而电感值越大电感的体积也越大，所以在设计时应权衡各种因素的影响，确定合适的参数。差模部分的参数选择可以在设计时先确定差模电容CX1的值，然后再根据截至频率fO按照公式来计算差模电感的取值。对于共模部分的参数选择，可以先按照设计时漏电流的大小选定共模电容的取值，然后再按照下面的公式来计算共模电感的选值。滤波电路参数选定后，必须验证参数选取的是否合适，以保证电源噪声滤波器的自谐振频率远小于所要滤除的噪声频率，否则电源噪声滤波器不仅不能够起到抑制噪声干扰的作用，而且很有可能会放大噪声干扰。当电感的等效电阻很小时，电源噪声滤波器的自谐振频率可以按照下式来大致计算。3电源噪声滤波器的仿真分析为了从理论上对滤波器进行更加详细的分析，在PSPISE环境下对上述设计的电源噪声滤波器电路中差模噪声的抑制能力进行了仿真分析，仿真中所使用的元器件参数都是按照实际电路中的实测值来进行的，并且设源阻抗和负载阻抗均为理想情况下的50Ω。首先分析了电源噪声滤波器差模衰减特性，即电源噪声滤波器输出信号电压幅值随输入信号频率的变化的衰减程度。仿真分析时使用的电压值是市电的半峰值110V，仿真结果如下图4所示的频响特性曲线仿真波形。从图4的分析中可以看出，电源噪声滤波器对于50Hz左右处的工频信号的衰减幅度很小，而滤波器的3DB点位置大概在180Hz处左右，当频率上升到2KHz的时候，信号衰减已达20dB以上。图4滤波电路差模衰减特性曲线仿真波形为了更加充分的说明滤波器的滤波效果，对滤波电路进行了在电源波动情况下模拟噪声输入的仿真分析，按照实际的噪声幅值，即在110V/50Hz的正弦波基础上叠加了5V的50kHz、150kHz和1MHz的正弦波干扰作为被污染了的市电，对比输入输出波形，以观察电源噪声滤波器的输出滤波效果。通过分析，可以在图5的仿真结果中明显看出输入的噪声干扰在输出处基本上都被滤除了，但是输入和输出之间存在一定的相移，这可能是因为滤波器中存在非阻性元件引起的。(a)输入波形(b)输出波形图5模拟噪声仿真波形图4电源噪声滤波器的实际测试结果分析对设计的电源噪声滤波器输入频率在10Hz～2MHz之间幅值为20V（信号发生器的最大值）的正弦波，用Textronix－Tds220型示波器观测输出信号的变化，分析滤波器对差模噪声抑制的效果。将测试后得到的数据绘制成图，得到如图6所示滤波器电路的实际频响特性曲线。图6设计滤波器差模衰减特性曲线分析实际测得的数据，在工频处的信号衰减幅度不大，滤波电路的3DB点在370Hz左右，当频率上升到10kHz时，输出信号衰减了27dB，对1MHz差模噪声干扰的衰减能达到80dB以上。将图4和图6的结果直接进行比较，两者大体上是吻合的。对于实测截至频率比理论值大的原因主要有两点考虑：①实际元器件和理想器件相比有分布参数，电路板上布线也有分布参数，可以将部分输入信号耦合到输出端，所以频响曲线向高频端移动；②测试电路时未将滤波器做屏蔽，而周围环境中有许多电磁噪声干扰的影响，使滤波器输出的噪声分量增加，导致测得数据偏大。同时为了进一步比较我们所设计的电源噪声滤波器的滤波效果及性能，我们选用了市售的DENSEI-LAMBDA的MB1236型电源噪声滤波器作为参考对象，图7是其官方技术数据手册中差模衰减特性曲线。图7MB1236型滤波器差模衰减特性曲线从上图中的曲线可以看出，市售的电源噪声滤波器，其1MHz差模噪声干扰的衰减为60dB，而本设计中滤波器对1MHz差模噪声干扰的衰减能达到80dB以上，这表明本设计中的滤波器具有一定的比较优势。并且进一步对比图6和图7的差模衰减特性曲线，可以明显的看出，本设计中的滤波器的抑制范围要比市售滤波器大的多，抑制效果也更加地明显。但是要将设计出来的电源噪声滤波器投入实际的使用中，还要考虑到更多的因素。首先要用金属将整个电源噪声滤波器全部包起来，屏蔽外界的噪声干扰，同时也能防止滤波器对外产生干扰，其次要将电源噪声滤波器固定安装在设备上，否则当内部导线晃动时，容易再次引入电磁干扰降低滤波性能，第三要尽量滤波器的接地点和设备取得一致，否则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它部分。为了达到较好的滤波效果，所设计的电源噪声滤波器使用的电感值选取的比较大，对于实用化来说是偏高了。如果要将电感值降低，并且同时不影响到滤波器的滤波效果的话，可以考虑在滤波器前端再增加一级隔离变压器以增强滤波器的滤波能力，保证降低电感值时不会影响到滤波器对噪声干扰的抑制能力。5结束语本文分析了噪声滤波器的基本原理，以及共模滤波电路和差模滤波电路的基本结构。通过PSPICE对所设计的滤波电路进行了设计优化，对所设计的滤波电路的测试结果表明滤波器有较强的滤波能力。对于10KHz的噪声衰减效果能达到27dB，1MHz噪声干扰的衰减能达到80dB以上，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。