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电子设备电源EMI滤波器的原理和正确应用方法

作者: 时间:2012-05-23 来源:网络 收藏

差模电感线圈L3、L4与差模电容器CX构成交流进线独立端口间的一个低通,用来抑制交流进线上的差模干扰噪声,防止设备受其干扰。

图2所示的噪声是无源网络,它具有双向抑制性能。将它插入在交流电网与之间,相当于这二者的噪声之间加上一个阻断屏障,这样一个简单的无源起到了双向抑制噪声的作用,从而在各种中获得了广泛应用。

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5、噪声滤波器的主要设计原则

共模电感线圈使用的磁芯有环形、E形和U形等,材料一般采用铁氧体,环形磁芯适用于大电流小电感量,它的磁路比E形和U形长,没有间隙,用较少的圈数可获得较大的电感量,由于这些特点它具有较佳的频率特性。而E形磁芯的线圈泄漏磁通小,故当电感漏磁有可能影响其它电路或其它电路与共模电感有磁耦合,而不能获得所需要的噪声衰减效果时应考虑采用E形磁芯作成共模电感。

差模电感线圈一般采用金属粉压磁芯,由于粉压磁芯适用频率范围较低,在几十kHz~几MHz,其直流重叠特性好,在大电流应用时电感量也不会大幅下降,最适合作为差模电感。

图2中,电源噪声滤波器使用二种电容器,CX、CY1和CY2,它们在滤波器中的作用不同,还有不同的安全等级要求,因此其性能参数直接与滤波器的安全性能有关。

差模电容CX接在交流电进线两端,它上面除加有额定交流电压以外,还会叠加交流进线之间存在的各种峰值电压。所以该电容器的耐压及耐瞬态峰值电压的性能要求较高,同时要求该电容器失效后,不能危及后面电路及人身安全。CX电容器的安全等级又分为X1和X2两类,X1类适用于一般场合,X2类适用于会出现高的噪声峰值电压的应用场合。

共模电容CY接在交流电进线与机壳地之间,要求它们在电气和机械性能上,应有足够大的安全余量,万一它们发生击穿短路,将使设备机壳带上危险的交流电,如设备的绝缘或接地保护失效,可能使操作人员遭受电击,甚至危及人身安全。因此对CY电容器的容量要进行限制,使其在额定频率的电压下漏电流小于安全规范值。另外还要求其应有足够的耐压及耐瞬态高峰值电压的余量,并且万一发生电压击穿它应处于开路状态,而不会使设备机壳带电。

综上所述,在设计和选择电网噪声滤波器时,因为它们工作在高电压、大电流、恶劣的电磁干扰环境中,首先必须考虑所用电感器和电容器的安全性能。对于电感线圈,其磁芯、绕线的材料,绝缘材料和绝缘距离、线圈温升等都应予重视。对于电容器,其电容种类、耐压、安全等级、容量、漏电流等都应优先考虑,特别要求选择经过国际安全机构安全认证的产品。

6、滤波器的安全性能参数

6.1滤波器与漏电流

电网滤波器漏电流定义为:在额定交流电压下,滤波器外壳到交流进线任一端的电流。如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的,则漏电流的值,主要取决于共模电容CY的漏电流,即主要取决于CY的容量。由于滤波器漏电流的大小,涉及到人身安全,国际上各国对此都有严格的标准规定。对于220V/50Hz 交流电网供电,一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA。

6.2滤波器与试验电压

对于交流电网噪声滤波器,试验电压分为两种:一种是加在交流进线两端,即线—线试验电压。若电感线圈及引线是绝缘良好的,它主要取决于电容器CX的耐压;另一种是加在交流进线任一端与机壳地之间,即线—地试验电压。它主要取决于CY的耐压。

漏电流和试验电压都是噪声滤波器的安全性能参数,是滤波器中电感线圈、绝缘和电容器CX、CY安全性能的具体表现,并且与设备及人身安全紧密相关。因此在电网噪声滤波器的设计、生产和使用中,都要特别加以重视,把这些技术参数的认证和检验放在首位。

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7、滤波器的技术参数及正确使用

(1)插入损耗是噪声滤波器的重要技术参数之一,在设计和选用时应予主要考虑。在滤波器的安全、常规电气性能、环境及机械等条件都满足要求时,应尽量选择插入损耗值大些。

插入损耗的定义如图3所示,当没接滤波器时,信号源输出电压为V1,当滤波器接入后,在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等,都是50Ω,则滤波器的插入损耗为:IL=20log(V1/V2)(1)

因为电源噪声滤波器能衰减共模和差模噪声,所以它即有共模插入损耗,又有差模插入损耗。

但在实际选用滤波器时,应注意产品手册给出的插入损耗曲线,都是按照标准规定,在其输入和输出阻抗都为50Ω条件下测得的。因为实际的滤波器两端阻抗不一定在全频率范围内是50Ω,所以它对信号的衰减,并不等于产品手册中给出的插入损耗值。特别当使用安装不当时,还会远远小于标准给定的插入损耗。

(2)电源噪声滤波器是一种具有互易性的无源网络。在实际应用中为使它有效地抑制噪声应合理配接。按图4所示组合来选择滤波器的网络结构和参数,才能得到较好的EMI抑制效果。

当滤波器的输出阻抗与负载阻抗不相等时,在此端口上会产生反射,两个阻抗相差越大,端口产生的反射也越大。当滤波器两端阻抗都与外部阻抗不相等时,则 EMI信号将在其输入和输出端都产生反射。这时电源滤波器对电磁干扰噪声的衰减,就与滤波器固有的插入损耗和反射损耗有关,可利用这点更有效地抑制电磁干扰噪声。在实际设计和选择使用EMI滤波器时,要注意滤波器阻抗的正确连接,以造成尽可能大的反射,使滤波器在很宽的频率范围内造成较大的阻抗失配,从而得到更好的电磁干扰抑制性能。

(3)在电源滤波器的实际应用中,要求其外壳与系统地之间有良好的电气连接,且应使接地线尽量短,因为过长的接地线会加大接地电阻和电感,而严重削减滤波器的共模抑制能力,同时也会产生公共接地阻抗耦合的问题。如图5所示,接地线过长,则滤波器输入和输出之间的公共耦合阻抗Zg也过大,负载上电压为:V0=VZ+Vg=VZ+(Ii-IO)Zg(2)式中:Ii为滤波器交流输入电路的噪声电流;IO为滤波器输出电路的噪声电流。

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