2電源設(shè)備中噪聲濾波器的作用

電子設(shè)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(dá),、導(dǎo)航、通信等設(shè)備的無線電發(fā)射信號,，會在電源線上和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號,，電動旋轉(zhuǎn)機械和點火系統(tǒng)，會在感性負(fù)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(dǎo)耦合的方式,，會影響在此環(huán)境中運行的各種電子設(shè)備的正常工作。

另一方面,，電子設(shè)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(guān)系的,，對其脈沖波形進(jìn)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(fù)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(fù)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(guān)電源具有體積小,，效率高的優(yōu)點，在現(xiàn)代電子設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛,，但是因為它在功率變換時處于開關(guān)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(dǎo)的方式污染電磁環(huán)境,，從而影響其它電子設(shè)備的正常工作。

對電子設(shè)備來說,，當(dāng)EMI噪聲影響到模擬電路時,，會使信號傳輸?shù)男旁氡茸儔模瑖?yán)重時會使要傳輸?shù)男盘柋籈MI噪聲所淹沒,，而無法進(jìn)行處理,。當(dāng)EMI噪聲影響到數(shù)字電路時，會引起邏輯關(guān)系出錯,，導(dǎo)致錯誤的結(jié)果,。

對于電源設(shè)備來說，其內(nèi)部除了功率變換電路以外,，還有驅(qū)動電路,、控制電路、保護(hù)電路,、輸入輸出電平檢測電路等,，電路相當(dāng)復(fù)雜。這些電路主要由通用或?qū)Ｓ眉呻娐窐?gòu)成,，當(dāng)受電磁干擾而發(fā)生誤動作時,，會使電源停止工作，導(dǎo)致電子設(shè)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,。

另外，從電源輸入端進(jìn)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(fù)載電路中會產(chǎn)生感應(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)載的工作,；

（3）抑制電源設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI,；

（4）抑制由其它設(shè)備產(chǎn)生而經(jīng)過電源傳播的EMI。

開關(guān)電源本身在工作時以及電子設(shè)備處于開關(guān)工作狀態(tài)時,，都會在電源設(shè)備的輸入端出現(xiàn)終端噪聲,，產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾，也會進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它的電子設(shè)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(dǎo)干擾方面,，采用EMI濾波器是很有效的手段,，當(dāng)然應(yīng)配合良好的接地措施。

在國際上各個國家都實行了嚴(yán)格的電磁噪聲限制規(guī)則,，如美國有FCC,，德國有FTZ，VDE等標(biāo)準(zhǔn),。如電子設(shè)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(shè)備中必須要設(shè)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(shè)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)碾娢幌嗟取⑾辔幌嗤母蓴_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(dǎo)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(yīng)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(yīng)根據(jù)EMI噪聲的這個特點來選擇適當(dāng)?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(gòu)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(jié)構(gòu)

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(shè)備產(chǎn)生的EMI噪聲,，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備,。

單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)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(luò),，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(luò)放在電源的輸入端,，則L1與CY1及L2與CY2分別構(gòu)成交流進(jìn)線上兩對獨立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進(jìn)線上存在的共模干擾噪聲,，阻止它們進(jìn)入電源設(shè)備,。共模電感線圈用來衰減交流進(jìn)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(gòu)成交流進(jìn)線獨立端口間的一個低通濾波器,，用來抑制交流進(jìn)線上的差模干擾噪聲，防止電源設(shè)備受其干擾,。

圖2所示的電源噪聲濾波器是無源網(wǎng)絡(luò),，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(dāng)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(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。

5噪聲濾波器的主要設(shè)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(guān)。

差模電容CX接在交流電進(jìn)線兩端,，它上面除加有額定交流電壓以外,，還會疊加交流進(jìn)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(yīng)用場合。

共模電容CY接在交流電進(jìn)線與機殼地之間,，要求它們在電氣和機械性能上，應(yīng)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(hù)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過國際安全機構(gòu)安全認(rèn)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(jìn)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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(yīng)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(yīng)盡量選擇插入損耗值大些,。

插入損耗的定義如圖3所示,，當(dāng)沒接濾波器時，信號源輸出電壓為V1,，當(dāng)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(yīng)注意產(chǎn)品手冊給出的插入損耗曲線,，都是按照標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)使用安裝不當(dāng)時，還會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用中為使它有效地抑制噪聲應(yīng)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(dāng)濾波器的輸出阻抗與負(fù)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(dāng)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(yīng)用中，要求其外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接,，且應(yīng)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(yán)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(fù)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(yīng)注意如下幾點：

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

②濾波器中的電容器引線應(yīng)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(yīng)對濾波器進(jìn)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(jìn)行。首先要了解濾波器的使用環(huán)境(使用電壓,、負(fù)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(yīng)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(yīng)該正確地安裝在電子設(shè)備上。