電源噪聲濾波器的基本原理與應用方法

1引言

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，電子、電力電子、電氣設備應用越來越廣泛，它們在運行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個空間，形成復雜的電磁環(huán)境。復雜的電磁環(huán)境要求電子設備及電源具有更高的電磁兼容性。于是抑制電磁干擾的技術也越來越受到重視。接地、屏蔽和濾波是抑制電磁干擾的三大措施，下面主要介紹在電源中使用的EMI濾波器及其基本原理和正確應用方法。

2電源設備中噪聲濾波器的作用

電子設備的供電電源，如220V/50Hz交流電網(wǎng)或115V/400Hz交流發(fā)電機，都存在各式各樣的EMI噪聲，其中人為的EMI干擾源，如各種雷達、導航、通信等設備的無線電發(fā)射信號，會在電源線上和電子設備的連接電纜上感應出電磁干擾信號，電動旋轉機械和點火系統(tǒng)，會在感性負載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)過程和輻射噪聲干擾；還有自然干擾源，比如雷電放電現(xiàn)象和宇宙中天電干擾噪聲，前者的持續(xù)時間短但能量很大，后者的頻率范圍很寬。另外電子電路元器件本身工作時也會產(chǎn)生熱噪聲等。

這些電磁干擾噪聲，通過輻射和傳導耦合的方式，會影響在此環(huán)境中運行的各種電子設備的正常工作。

另一方面，電子設備在工作時也會產(chǎn)生各種各樣的電磁干擾噪聲。比如數(shù)字電路是采用脈沖信號（方波）來表示邏輯關系的，對其脈沖波形進行付里葉分析可知，其諧波頻譜范圍很寬。另外在數(shù)字電路中還有多種重復頻率的脈沖串，這些脈沖串包含的諧波更豐富，頻譜更寬，產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也更復雜。

各類穩(wěn)壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線性穩(wěn)壓電源中，因整流而形成的單向脈動電流也會引起電磁干擾；開關電源具有體積小，效率高的優(yōu)點，在現(xiàn)代電子設備中應用越來越廣泛，但是因為它在功率變換時處于開關狀態(tài)，本身就是很強的EMI噪聲源，其產(chǎn)生的EMI噪聲既有很寬的頻率范圍，又有很高的強度。這些電磁干擾噪聲也同樣通過輻射和傳導的方式污染電磁環(huán)境，從而影響其它電子設備的正常工作。

對電子設備來說，當EMI噪聲影響到模擬電路時，會使信號傳輸?shù)男旁氡茸儔?，嚴重時會使要傳輸?shù)男盘柋籈MI噪聲所淹沒，而無法進行處理。當EMI噪聲影響到數(shù)字電路時，會引起邏輯關系出錯，導致錯誤的結果。

對于電源設備來說，其內(nèi)部除了功率變換電路以外，還有驅動電路、控制電路、保護電路、輸入輸出電平檢測電路等，電路相當復雜。這些電路主要由通用或專用集成電路構成，當受電磁干擾而發(fā)生誤動作時，會使電源停止工作，導致電子設備無法正常工作。采用電網(wǎng)噪聲濾波器可有效地防止電源因外來電磁噪聲干擾而產(chǎn)生誤動作。

圖1電磁干擾信號示意圖

圖2電源濾波器的基本電路圖

另外，從電源輸入端進入的EMI噪聲，其一部分可出現(xiàn)在電源的輸出端，它在電源的負載電路中會產(chǎn)生感應電壓，成為電路產(chǎn)生誤動作或干擾電路中傳輸信號的原因。這些問題同樣也可用噪聲濾波器來加以防止。

在電源設備中采用噪聲濾波器的作用如下：

（1）防止外來電磁噪聲干擾電源設備本身控制電

路的工作；

（2）防止外來電磁噪聲干擾電源的負載的工作；

（3）抑制電源設備本身產(chǎn)生的EMI；

（4）抑制由其它設備產(chǎn)生而經(jīng)過電源傳播的EMI。

開關電源本身在工作時以及電子設備處于開關工作狀態(tài)時，都會在電源設備的輸入端出現(xiàn)終端噪聲，產(chǎn)生輻射及傳導干擾，也會進入交流電網(wǎng)干擾其它的電子設備，所以必須采取有效措施加以抑制。在抑制EMI噪聲的輻射干擾方面，電磁屏蔽是最好的方式。而在抑制EMI噪聲的傳導干擾方面，采用EMI濾波器是很有效的手段，當然應配合良好的接地措施。

在國際上各個國家都實行了嚴格的電磁噪聲限制規(guī)則，如美國有FCC，德國有FTZ，VDE等標準。如電子設備不滿足噪聲限制規(guī)則，則產(chǎn)品就不能出售和使用。

由于上述種種原因，在電源設備中必須要設計使用滿足要求的電網(wǎng)噪聲濾波器。

3EMI噪聲和濾波器的類型

在電源設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?、相位相同的干擾信號，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，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的干擾電流。對任何電源輸入線上的傳導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噪聲看作獨立的EMI源來分別抑制。

在對電磁干擾噪聲采取抑制措施時，主要應考慮抑制共模噪聲，因為共模噪聲在全頻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，所以應根據(jù)EMI噪聲的這個特點來選擇適當?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構

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?，而大大衰減隨交流電傳入的EMI噪聲；同時又能有效地抑制電源設備產(chǎn)生的EMI噪聲，阻止它們進入交流電網(wǎng)干擾其它電子設備。

單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結構如圖2所示。它是由集中參數(shù)元件組成的四端無源網(wǎng)絡，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)絡放在電源的輸入端，則L1與CY1及L2與CY2分別構成交流進線上兩對獨立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進線上存在的共模干擾噪聲，阻止它們進入電源設備。共模電感線圈用來衰減交流進線上的共模噪聲，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構成交流進線獨立端口間的一個低通濾波器，用來抑制交流進線上的差模干擾噪聲，防止電源設備受其干擾。

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

5噪聲濾波器的主要設計原則

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，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應考慮采用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，在大電流應用時電感量也不會大幅下降，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，它們在濾波器中的作用不同，還有不同的安全等級要求，因此其性能參數(shù)直接與濾波器的安全性能有關。

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，將使設備機殼帶上危險的交流電，如設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)，而不會使設備機殼帶電。

綜上所述，在設計和選擇電網(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)，并且與設備及人身安全緊密相關。因此在電網(wǎng)噪聲濾波器的設計、生產(chǎn)和使用中，都要特別加以重視，把這些技術參數(shù)的認證和檢驗放在首位。

7濾波器的技術參數(shù)及正確使用

（1）插入損耗是噪聲濾波器的重要技術參數(shù)之一，在設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)

圖3插入損耗的定義

圖4濾波器網(wǎng)絡結構的選擇

圖5公共阻抗耦合的等效電路

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。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)絡結構和參數(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，可利用這點更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實際設計和選擇使用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，又不破壞設備的屏蔽結構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。

圖6濾波器的正確安裝方法

8結語

電磁干擾濾波器的設計和選用，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)，因為關系到設備及人身安全。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)絡結構和參數(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備上。