EMI滤波器设计专题

EMI濾波器設計專題（華南理工大學電力學院AndrewZhang）1、EMI濾波器基本概念電源線是干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑，通過電源線，電網的干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作，同樣設備產生的干擾也可能通過電源線傳到電網上，干擾其他設備的正常工作。因此，必須在設備的電源進線處加入EMI濾波器，這種濾波器是低通濾波器，它只允許設備正常工作頻率信號進入設備（一般來說就是工頻50Hz，60Hz或者中頻400Hz），而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。由此我們知道EMI的作用主要有兩個：a抑制交流電網中的高頻干擾對設備的影響；b抑制設備（本文主要指高頻開關電源）對交流電網的干擾。2、干擾的分類一般我們常把干擾分為共模干擾和差模干擾兩大類。所謂共模干擾就是任何載流導體與參考地之間不希望有的電位差；而差模干擾則是任何兩個載流導體之間不希望有的電位差。這兩種干擾的來源可以從以下兩個方面進行考慮：2.1共模干擾的來源：架空導線載傳輸的過程中會受到周圍空間電磁環境的輻射，火線、中線和安全地上所感應的信號的幅值和相位幾乎是相等的，由於安全地線要和大地相連接，所以就形成了火線、中線和安全地之間的共模干擾。2.2差模干擾的來源：共用一條輸電線的不同設備，當其中的某一設備進行切換操作時，火線和中線之間會形成幅值大致相等而相位相反的信號，這種信號就是差模干擾。簡單地說，共模干擾就是兩個都是進去，而差模干擾則是一進一出。3、EMI濾波器設計3.1EMI濾波器的典型結構EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號順利通過，而對高頻干擾有抑制作用。怎樣才能抑制這些高頻干擾信號呢？無非就是要在信號進入設備之前把它遏制，也就是說，在輸入電路部分對高頻干擾形成所謂的阻抗失配。在開關電源中常用的EMI濾波器的結構如圖1所示。LN2CY2CY1CY1CY1CX2CXL圖1EMI濾波器的典型結構圖中的L就是共模電感，它是在同一個磁環上繞制兩個繞向相反，匝數相同的線圈所形成的，如圖2所示。它只對共模干擾有抑制作用，對差模干擾卻沒有抑制作用，這是為什麼呢？我們可以從物理的角度來解釋：圖2共模電感（環形電感比較難畫，這是截來的圖片，電流和磁通都沒有畫上去，見諒！）當電網輸入共模干擾時，這兩種方向相同的縱向雜訊電流如圖2中的fI，由右手螺旋定則可知，兩個線圈產生的磁通f（實線所示）順向串連磁通相加，電感呈現出高阻抗，阻止共模干擾進入開關電源。同時也阻止了開關電源所產生的干擾向電網擴散，以免污染交流電網。而差模干擾電流1I和'1I在L1和L2中所產生的磁通如圖中1和'1（虛線所示），它們反向串連，磁通相互抵消，感抗為零。差模干擾和工頻交流電在形式上是一樣的，所以共模電感對差模干擾和工頻交流有用信號都沒有影響。3.2EMI濾波器的性能指標任何一種產品都有它特定的性能指標，或者是客戶所期望的，或者是某些標準所規定的。我們設計產品的技術目標就是滿足這些指標就可以了。所謂的“看菜吃飯，量體裁衣”。EMI濾波器最重要的技術指標是對干擾的抑制能力，常常用所謂的插入損耗LI（InsertionLoss）來表示，它的定義是：沒有接入濾波器時從干擾源傳輸到負載的功率P1和接入濾波器後從干擾源傳輸到負載的功率P2之比，用分貝（dB）表示。SV1VLRSR（a）SV1VLRSR2V滤波器1I2I（b）圖3EMI等效原理圖1L2PI=10logP其中211PLVR222PLVR（1）所以：211L222I=10log20logVVVV（2）由圖3（a）可知1SLSLVVRRR（3）圖3（b）是一個二埠網路，它的傳輸方程為122122VAVBIICVDI（4）又因為有1122SSLVVIRVIR（5）由（2）－（5）式可知2SSSLLVVRBACRDRR（6）所以1L2I=20log20logLSLSSLARBCRRDRVVRR（7）由（7）式可以看出，EMI濾波器的插入損耗與濾波網路的網路參量以及源端和負載端的阻抗有關。為避免濾除有用信號,插損指標須謹慎提出。不論是軍用還是民用EMC標準,對設備或分系統的電源線傳導干擾電平都有明確的規定,預估或測試獲得的EMI傳導干擾電平和標準傳導干擾電平之間的差值即所需的EMI濾波器的最小插損。然而,對不同的單台設備都進行EMC測試,而後分析其傳導干擾特性,設計合乎要求的濾波器,這在實際工程中顯然是不可能的。事實上,國家標準中規定了電源濾波器插入損耗的測試方法。在標準測試條件下,一般軍用電源濾波器應滿足10kHz～30MHz範圍內插入損耗30～60dB。工程設計人員只需要根據實際情況選擇合適的濾波器。3.3EMI濾波器設計原理在圖3（b）中我們把濾波器等效成為一個而埠網路，它的輸入阻抗為1Z，輸出阻抗為2Z，由信號傳輸理論可知，如果輸入端和輸出端的阻抗不相等（這就是前面所提及的阻抗失配），高頻信號就會在輸入端產生反射，定義其反射係數為：2121ZZPZZ（8）顯然，2Z和1Z相差越大P便越大，信號反射越大，高頻的干擾信號就越難通過。根據圖3（b）所示的二埠網路模型的阻抗表達方式11111222211222VZIZIVZIZI（9）得到1122111112221221222211LLLSSSVZZAZBZZIZZCZDDZBVZZZZIZZDZA（10）這樣，通過調節網路參數A,B,C,D就可以在一定的範圍內使得阻抗失配。總的來說，濾波器的設計要遵循以下的原則：源內阻是高阻抗的，則濾波器的輸入阻抗就應該是低阻抗的，反之也同樣成立。4、EMI濾波器的元件選擇4.1濾波電容的選擇與一般的濾波器不同，圖1所示的EMI濾波器典型結構中電容使用了兩種下標XC，和YC，XC接於相線和中線之間，稱為差模電容，YC接於相線或中線與地之間，稱為共模電容，下標X和Y不僅表明了它在濾波電路中的作用，還表明了它在濾波電路中的安全等級。在設計或選用濾波器時都必須充分考慮這兩類電容的安全性能，因為它直接關係到濾波網路的安全性能。4.1.1差模電容器的選擇XC指的是應用於這樣的場合：當電容失效後，不會導致電擊穿現象，不會危及人生安全。XC除了要承受電源相線與中線的電壓之外，還要承受相線與中線之間各種干擾源的峰值電壓。根據差模電容應用的最壞情況和電源斷開的條件，XC電容器的安全等級又分為1XC和2XC兩個等級具體規定見表1。所以設計濾波器時應根據不同的應用場合來選擇不同安全等級的電容器。表1差模電容的分類CX電容等級用於設備的峰值電壓VP應用場合在電強度試驗期間所加的峰值電壓VPCX1VP1.2kV出現瞬態浪湧峰值對C0.33uF,VP=4kV對C0.33uF,VP=(0.33)4CekVCX2VP1.2kV一般場合1.4kV若XC的安全性能（即耐壓性能）欠佳，在上述的峰值電壓出現時，它有可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人生安全，但會使得濾波器的功能下降或喪失。通常EMI濾波器的差模電容必須經過1500－1700V直流電壓1分鐘耐壓測試。4.1.2共模電容及其漏電流控制用於電子設備電源的EMI濾波器共模濾波性能常常受到共模電容YC的制約。YC電容即跨接在相線或中線與安全地之間的電容。接地的電流主要就是指流過共模電容YC的電流，由於流過電容的電流由電源電壓，電源頻率和電容值共同決定，所以漏電流可以由下式估算：6210(mA)gmmYIVfC（11）其中mV為電源電壓，mf為電源頻率。由於漏電流的大小對於人生安全至關重要，不同國家對不同電子設備接地漏電流都做了嚴格的規定。若對最大漏電流做出了規定，則可由（11）式可以求出最大允許接地電容值（即YC電容的值）：3max10(μF)2gYmmICVf（12）如GJB151A-97中規定，每根導線的線與地之間的電容值，對於50Hz的設備，應小於0.1μF；對於400Hz的設備，應小於0.02μF；對於負載小於0.5kW的設備，濾波電容量不應超過0.03μF。標準中的規定除了要滿足（12）式外，還要求YC電容在電氣和機械安全方面有足夠的餘量，避免在極端惡劣的條件下出現擊穿短路的現象。因為這種電容要跟安全地相連，而設備的機殼也要跟安全地相連，所以這種電容的耐壓性能對保護人生安全有至關重要的作用，一旦設備或裝置的絕緣失效，可能危及到人的生命安全。因此YC電容要進行1500－1700V交流耐壓測試1分鐘。4.2濾波電感的選擇電感的取值、材料的選取原則從以下幾個方面考慮：第一，磁芯材料的頻率範圍要寬，要保證最高頻率在1GHz，即在很寬的頻率範圍內有比較穩定的磁導率；第二，磁導率高，但是在實際中很難滿足這一要求，所以，磁導率往往是分段考慮的。磁芯材料一般是鐵氧體或者鐵粉芯，更好的材料如微晶等。5、EMI濾波器應用中應注意的事項EMI電源濾波器在應用時一定得注意濾波器的安裝問題,因為如果濾波器安裝得不合適反而會得到一個更差的效果。a為了濾波器的安全可靠工作(散熱和濾波效果),除濾波器一定要安裝在設備的機架或機殼上外,濾波器的接地點應和設備機殼的接地點取得一致,並儘量縮短濾波器的接地線。若接地點不在一處,那麼濾波器的洩漏電流和雜訊電流在流經兩接地點的途徑時,會將雜訊引入設備內的其他部分。其次,濾波器的接地線會引入感抗,它能導致濾波器高頻衰減特性的變壞。所以,金屬外殼的濾波器要直接和設備機殼連接。如外殼噴過漆,則必須刮去漆皮；若金屬外殼的濾波器不能直接接地或使用塑封外殼濾波器時,它與設備機殼的接地線應可能短。b濾波器要安裝在設備電源線輸入端,連線要儘量短;設備內部電源要安裝在濾波器的輸出端。若濾波器在設備內的輸入線長了,在高頻端輸入線就會將引入的傳導干擾耦合給其他部分。若設備內部電源安裝在濾波器的輸入端,由於連線過長,也會導致同樣的結果。c確保濾波器輸入線和輸出線分離。若濾波器輸入、輸入線捆紮在一起或相互安裝過近,那麼由於它們之間的耦合,可能使濾波器的高頻衰減降低。若輸入、輸出線必須接近,那麼都必須採用雙絞線或遮罩線。