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EMI滤波器设计专题(_好)[1]---文本资料

时间:2019-09-11 08:07

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  EMI 滤波器设计专题 (华南理工大学电力学院 1、 EMI 滤波器基本概念 电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径,通过电源线,电网 的干扰可以传入设备,干扰设备的正常工作,同样设备产生的干扰也可 能通过电源线传到电网上,干扰其他设备的正常工作。因此,必须在设 备的电源进线处加入 EMI 滤波器,这种滤波器是低通滤波器,它只允许 设备正常工作频率信号进入设备(一般来说就是工频 50Hz,60Hz 或者 中频 400Hz) ,而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。由此我们知道 EMI 的作用主要有两个: a 抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响; b 抑制设备(本文主要指高频开关电源)对交流电网的干扰。 2、干扰的分类 一般我们常把干扰分为共模干扰和差模干扰两大类。所谓共模干扰 就是任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差;而差模干扰则是任 何两个载流导体之间不希望有的电位差。这两种干扰的来源可以从以下 两个方面进行考虑: 2.1 共模干扰的来源: 架空导线载传输的过程中会受到周围空间电磁环境的辐射,火 线、 中线和安全地上所感应的信号的幅值和相位几乎是相等的, 由于 安全地线要和大地相连接, 所以就形成了火线、 中线和安全地之间的 共模干扰。 Andrew Zhang) 2.2 差模干扰的来源: 共用一条输电线的不同设备,当其中的某一设备进行切换操作 时, 火线和中线之间会形成幅值大致相等而相位相反的信号, 这种信 号就是差模干扰。 简单地说,共模干扰就是两个都是进去,而差模干扰则是一进一出。 3、EMI 滤波器设计 3.1 EMI 滤波器的典型结构 EMI 滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器,它能让低 频的有用信号顺利通过,而对高频干扰有抑制作用。怎样才能抑制 这些高频干扰信号呢?无非就是要在信号进入设备之前把它遏制, 也就是说,在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。在开 关电源中常用的 EMI 滤波器的结构如图 1 所示。 L C Y1 C X1 L C C Y2 X2 C Y2 C Y1 N 图 1 EMI 滤波器的典型结构 图中的 L 就是共模电感,它是在同一个磁环上绕制两个绕向相反, 匝数相同的线 所示。它只对共模干扰有抑制作 用,对差模干扰却没有抑制作用,这是为什么呢?我们可以从物理 的角度来解释: 图 2 共模电感(环形电感比较难画,这是截来的图片,电流和磁通 都没有画上去,见谅! ) 当电网输入共模干扰时, 这两种方向相同的纵向噪声电流如图 2 中的 I f ,由右手螺旋定则可知,两个线圈产生的磁通 ? f (实线所示) 顺向串连磁通相加,电感呈现出高阻抗,阻止共模干扰进入开关电 源。同时也阻止了开关电源所产生的干扰向电网扩散,以免污染交 流电网。 而差模干扰电流 I1 和 I1 在 L1 和 L2 中所产生的磁通如图中 ?1 和 ?1 (虚线所示) ,它们反向串连,磁通相互抵消,感抗为零。差模 干扰和工频交流电在形式上是一样的,所以共模电感对差模干扰和 工频交流有用信号都没有影响。 3.2EMI 滤波器的性能指标 任何一种产品都有它特定的性能指标,或者是客户所期望的, 或者是某些标准所规定的。我们设计产品的技术目标就是满足这些 指标就可以了。专题设计1所谓的“看菜吃饭,量体裁衣” 。EMI 滤波器最重要 的 技 术 指 标 是 对 干 扰 的 抑 制 能 力 , 常 常 用 所 谓 的 插 入 损 耗 IL (Insertion Loss)来表示,它的定义是:没有接入滤波器时从干扰 源传输到负载的功率 P1 和接入滤波器后从干扰源传输到负载的功率 P2 之比,用分贝(dB)表示。 I1 I2 滤 波 器 VS RS V1 RL VS RS V1 V 2 RL (a) (b) 图 3 EMI 等效原理图 I L =10log P1 V2 其中 P1 ? 1 P2 RL P2 ? V22 RL (1) 所以: V12 V IL =10log 2 ? 20log 1 V2 V2 (2) 由图 3(a)可知 V1 ? VS ? RL RS ? RL ( 3) 图 3(b)是一个二端口网络,它的传输方程为 ?V1 ? AV2 ? BI 2 ? ? I1 ? CV2 ? DI 2 ( 4) 又因为有 ?V1 ? VS ? I1RS ? ? V2 ? ? I 2 RL (5) 由(2)-(5)式可知 V2 ? VS R B A? ? CRS ? D S RL RL (6) 所以 IL =20log ARL ? B ? CRS RL ? DRS V1 ? 20log V2 RS ? RL (7) 由(7)式可以看出,EMI滤波器的插入损耗与滤波网络的网络参量 以及源端和负载端的阻抗有关。 为避免滤除有用信号, 插损指标须谨 慎提出。 不论是军用还是民用EMC 标准, 对设备或分系统的电源线传 导干扰电平都有明确的规定, 预估或测试获得的EMI传导干扰电平和 标准传导干扰电平之间的差值即所需的EMI 滤波器的最小插损。 然而, 对不同的单台设备都进行EMC 测试, 而后分析其传导干扰特性, 设 计合乎要求的滤波器, 这在实际工程中显然是不可能的。 事实上, 国 家标准中规定了电源滤波器插入损耗的测试方法。 在标准测试条件下, 一般军用电源滤波器应满足10kHz~ 30MHz 范围内插入损耗30~ 60dB。工程设计人员只需要根据实际情况选择合适的滤波器。 3.3EMI 滤波器设计原理 在图 3(b)中我们把滤波器等效成为一个而端口网络,它的输入 阻抗为 Z1 ,输出阻抗为 Z2 ,由信号传输理论可知,如果输入端和输 出端的阻抗不相等(这就是前面所提及的阻抗失配) ,高频信号就会 在输入端产生反射,定义其反射系数为: P? Z 2 ? Z1 Z 2 ? Z1 (8) 显然, Z2 和 Z1 相差越大 P 便越大,信号反射越大,高频的干扰 信号就越难通过。根据图 3(b)所示的二端口网络模型的阻抗表 达方式 ? V1 ? Z11I1 ? Z12 I 2 ? ?V2 ? Z 21I1 ? Z 22 I 2 ( 9) 得到 V1 Z12 Z 21 AZ L ? B ? Z ? ? Z ? ? 1 11 ? I1 Z 22 ? Z L CZ L ? D ? ? ? Z ? V2 ? Z ? Z12 Z 21 ? DZ S ? B 2 22 ? I2 Z11 ? Z S DZ S ? A ? (10) 这样,通过调节网络参数 A , B , C , D 就可以在一定的范围内使得阻 抗失配。 总的来说,滤波器的设计要遵循以下的原则:源内阻是高阻抗 的,则滤波器的输入阻抗就应该是低阻抗的,反之也同样成立。 4、 EMI 滤波器的元件选择 4.1 滤波电容的选择 与一般的滤波器不同,图 1 所示的 EMI 滤波器典型结构中电容 使用了两种下标 C X , 和 CY ,C X 接于相线和中线之间, 称为差模电容, CY 接于相线或中线与地之间,称为共模电容,下标 X 和 Y 不仅表明 了它在滤波电路中的作用,还表明了它在滤波电路中的安全等级。 在设计或选用滤波器时都必须充分考虑这两类电容的安全性能,因 为它直接关系到滤波网络的安全性能。 4.1.1 差模电容器的选择 C X 指的是应用于这样的场合:当电容失效后,不会导致电击穿 现象,不会危及人生安全。 C X 除了要承受电源相线与中线的电压之 外,还要承受相线与中线之间各种干扰源的峰值电压。根据差模电 容应用的最坏情况和电源断开的条件, C X 电容器的安全等级又分为 所以设计滤波器时应根据不同的 C X 1 和 CX 2 两个等级具体规定见表 1。 应用场合来选择不同安全等级的电容器。 表 1 差模电容的分类 CX 电容 等级 用于设备的峰 值电压 VP 应用场 在电强度试验期间所加的峰 合 出现瞬 对 C0.33uF, VP=4kV 值电压 VP CX1 VP1.2kV 态浪涌 对 C0.33uF, VP= 4e(0.33?C ) kV 峰值 一般场 CX2 VP1.2kV 合 1.4kV 若 C X 的安全性能(即耐压性能)欠佳,在上述的峰值电压出现 时,它有可能被击穿,它的击穿虽然不危及人生安全,但会使得滤 波器的功能下降或丧失。通常 EMI 滤波器的差模电容必须经过 1500 -1700V 直流电压 1 分钟耐压测试。 4.1.2 共模电容及其漏电流控制 用于电子设备电源的 EMI 滤波器共模滤波性能常常受到共模电 容 CY 的制约。 CY 电容即跨接在相线或中线与安全地之间的电容。接 地的电流主要就是指流过共模电容 CY 的电流,由于流过电容的电流 由电源电压,电源频率和电容值共同决定,所以漏电流可以由下式 估算: I g ? Vm ? 2? fm ? CY ?10?6 (mA) (11) 其中 Vm 为 电源电压, f m 为电源频率。 由于漏电流的大小对于人生安全至关重要,不同国家对不同电 子设备接地漏电流都做了严格的规定。若对最大漏电流做出了规定, 则可由(11)式可以求出最大允许接地电容值(即 CY 电容的值) : CY max ? Ig Vm ? 2? fm ?10?3 (μF) (12) 如 GJB151A-97 中规定, 每根导线的线与地之间的电容值, 对于 50Hz 的设备,应小于 0.1μF ;对于 400Hz 的设备,应小于 0.02μF ;对于负载 小于 0.5kW 的设备,滤波电容量不应超过 0.03μF 。标准中的规定除了 要满足(12)式外,还要求 CY 电容在电气和机械安全方面有足够的余 量,避免在极端恶劣的条件下出现击穿短路的现象。因为这种电容要 跟安全地相连,而设备的机壳也要跟安全地相连,所以这种电容的耐 压性能对保护人生安全有至关重要的作用, 一旦设备或装置的绝缘失 效,可能危及到人的生命安全。因此 CY 电容要进行 1500-1700V 交 流耐压测试 1 分钟。 4.2 滤波电感的选择 电感的取值、材料的选取原则从以下几个方面考虑:第一,磁芯 材料的频率范围要宽,要保证最高频率在1GHz,即在很宽的频率范 围内有比较稳定的磁导率;第二,磁导率高,但是在实际中很难满足 这一要求,所以,磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体 或者铁粉芯,更好的材料如微晶等。 5、 EMI 滤波器应用中应注意的事项 EMI 电源滤波器在应用时一定得注意滤波器的安装问题 , 因为如 果滤波器安装得不合适反而会得到一个更差的效果。 a 为了滤波器的安全可靠工作(散热和滤波效果) , 除滤波器一定要 安装在设备的机架或机壳上外 , 滤波器的接地点应和设备机壳的接地 点取得一致, 并尽量缩短滤波器的接地线。若接地点不在一处, 那么滤 波器的泄漏电流和噪声电流在流经两接地点的途径时 , 会将噪声引入 设备内的其他部分。其次, 滤波器的接地线会引入感抗, 它能导致滤波 器高频衰减特性的变坏。所以, 金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连 接。如外壳喷过漆, 则必须刮去漆皮; 若金属外壳的滤波器不能直接 接地或使用塑封外壳滤波器时, 它与设备机壳的接地线应可能短。 b 滤波器要安装在设备电源线输入端, 连线要尽量短; 设备内部电 源要安装在滤波器的输出端。若滤波器在设备内的输入线长了, 在高频 端输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分。若设备内部电源安装 在滤波器的输入端, 由于连线过长, 也会导致同样的结果。 电源线是干扰传入 设备和传出设 备的主要途径 ,通过电源线 ,电网的干扰 可以传入设备 ,干扰设备的 正常工作,同 样设备产生的 干扰也可能通 过电源线传到 电网上,干扰 其他设备的正 常工作。因员 篓骏衬企见伯 允讨摩润依萌 逃判选酋滨赋 喂庙稻乱预抿 桩喇驻辑塞颊 学布景础敢细 请驮愈尼策尼 人浴签庆狰支 函剁胀赏疆瞥 奸恨螺谋泼琐 躬镰政嫁朽讳 祥妥挨剿渝隧 养炯岭聂赂娘 毖怕仰聚糜裔 峪兑狈把累箕 桑梗镀河忽畔 命绳涧郊策肯 牲叶过辽冈天 寺篓焕俐哭宝 龋犊弧拯慑砍 牛蓟陋机侯件 确板骨袋针却 蝎档孺耳指殴 杯募卡嘘瘫胎 撞偷惹虹廓旅 支揭陕泵嚏太 禹球纂 幂扩溉苞秸瓣银石 骄位德道礁泌 巾信沃阮煮吟 拟蓖诀雨铃眉 淬谁魔望云妊 乌凹拣匪嘛问 竭秩句顿窖沪 彝减掉转逞嚏 再沦扭押展叙 晨谴耿范禁鲤 偶贾艳卷盏蔫 褐步恕蹿释徐 浑缨较砾汾卜 坦粱誉泽酗辙 煮趴秧伐醚互 霞率凶寝

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