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EMI濾波器基本原理及正確應用方法

日期:2016/11/3 9:53:06
摘要:隨著現代科學技朮的飛速發展,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,形成復雜的電磁環境。復雜的電磁環境要求電子設備及電源具有更高的電磁兼容性。
關鍵詞:EMI、濾波器

 1、前 言

隨著現代科學技朮的飛速發展,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,形成復雜的電磁環境。復雜的電磁環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朮也越來越受到重視。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交流電網或115V/400Hz交流發電機,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,會在感性負載電路內產生瞬態過程和輻射噪聲干擾;還有自然干擾源,比如雷電放電現象和宇宙中天電干擾噪聲,前者的持續時間短但能量很大,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生各種各樣的電磁干擾噪聲。比如數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丰富,頻譜更寬,產生的電磁干擾噪聲也更復雜。

各類穩壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線性穩壓電源中,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,效率高的優點,在現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,本身就是很強的EMI噪聲源,其產生的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,會使信號傳輸的信噪比變壞,嚴重時會使要傳輸的信號被EMI噪聲所淹沒,而無法進行處理。當EMI噪聲影響到數字電路時,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。采用電網噪聲濾波器可有效地防止電源因外來電磁噪聲干擾而產生誤動作。

另外,從電源輸入端進入的EMI噪聲,其一部分可出現在電源的輸出端,它在電源的負載電路中會產生感應電壓,成為電路產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生的EMI;

(4)抑制由其它設備產生而經過電源傳播的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時,都會在電源設備的輸入端出現終端噪聲,產生輻射及傳導干擾,也會進入交流電網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則,如美國有FCC,德國有FTZ,VDE等標准。如電子設備不滿足噪聲限制規則,則產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噪聲濾波器。

3、EMI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的電位相等、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的相位差180°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EMI噪聲的這個特點來選擇適當的EMI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到電源,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生的EMI噪聲,阻止它們進入交流電網干擾其它電子設備。

單相交流電網噪聲濾波器的基本結構如圖2所示。它是由集中參數元件組成的四端無源網絡,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,接入電路后在L1、L2兩個線圈內交流電流產生的磁通相互抵消,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下較大,且保持不變。