本文主要分析濾波器對(duì)EMC的影響以及一些常用的電路。

 

1、概述:

 

本文著重對(duì)濾波器的特性、原理、用法做個(gè)較為詳細(xì)的闡述。

 

如下如所示為常見(jiàn)的電源濾波器：

 

濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)?

 

它具有選擇頻率的特性, 即可以讓某些頻率順利通過(guò), 而對(duì)其他頻率則加以阻攔? 

 

電源線濾波器的基本電路如下圖所示：

 

濾波器是由電感? 電容? 共模電感元件構(gòu)成的無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)? 

 

其中, L1 和L2 可組成共模電感。

 

共模扼流圈的電感量范圍為1mH到數(shù)十毫亨, 取決于要濾除的干擾的頻率, 頻率越低, 需要的電感量越大。

 

L3 ? L4 是由獨(dú)立的差模抑制電感與Cx （電路結(jié)構(gòu)形如X，所以被稱為X電容）一起組合成的差模濾波，X電容一般是uF級(jí)別? 

 

如果把該濾波器一端接入干擾源, 負(fù)載端接被干擾設(shè)備, 那么L1 和Cy （電路結(jié)構(gòu)形如Y，所以被稱為Y電容）, L2 和Cy 就分別構(gòu) 成L—E和N—E兩對(duì)獨(dú)立端口間的低通濾波器。

 

用來(lái)抑制電源線上存在的共模EMI信號(hào), 使其受到衰減, 并被控制到很低的電平上? 

 

其中, Cy 電容值不能過(guò)大, 否則會(huì)超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)漏電流 (3.5mA) 的限制要求, 一般在10000pF以下? 

 

醫(yī)療設(shè)備中對(duì)漏電流的要求更嚴(yán)? 在醫(yī)療設(shè)備中, 這個(gè)電容的容量更小, 甚至不用?

 

以下為某醫(yī)療級(jí)別電源濾波器的電路原理圖：

該圖中是沒(méi)有Y電容的。

 

如下表格為醫(yī)療法規(guī)GB 9706.1-2020 醫(yī)用電氣設(shè)備　第１部分：基本安全和基本性能的通用要求中對(duì)患者漏電流的要求容許值：

 

從表格中可以看出，醫(yī)療級(jí)別的漏電流要求非常低。

 

共模濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路如下圖所示：

 

圖中的濾波器主要由LCM 和Cy 組成? 

 

其中共模電感由于種種原因, 如磁環(huán)的材料不可能做到絕對(duì)均勻, 兩個(gè)線圈的繞制也不可能完全對(duì)稱等, 使得L1 和L2 的電感量是不相等的。

 

有時(shí), 人為增加共模扼流圈的漏電感, 以提高差模電感量, 這個(gè)在前面的文章《EMC相關(guān)器件簡(jiǎn)介——電感及共模電感》中也有介紹。

 

L1、L2 形成差模電感LDM , 與L3 ? L4 形成的獨(dú)立差模抑制電感及Cx 電容器又組成L—N獨(dú)立端口間的低通濾波器, 用來(lái)抑制電源線上存在的差模EMI信號(hào)?

 

如下圖所示，為濾波器差模EMI信號(hào)濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效電路：

 

 LDM 是差模電感, 包含由共模線圈形成的差模電感和獨(dú)立的差模抑制電感（L3、L4）。

 

 CLL 是圖中的Cx 電容? 其數(shù)值的選擇使濾波網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載構(gòu)成失配狀態(tài)?

 

例如, 電源濾波器, 當(dāng)它被安裝在系統(tǒng)中后, 既能有效抑制電子設(shè)備外部的干擾信號(hào)傳入設(shè)備, 又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的騷擾信號(hào)?

 

圖中電源線濾波器的基本電路是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，它具有互易性? 

 

如產(chǎn)品中加裝電源濾波器后, 既能有效地抑制電子設(shè)備外部的干擾信號(hào)傳入設(shè)備，如EFT/B等瞬態(tài)干擾信號(hào)。

 

又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的騷擾信號(hào), 如對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。

 

在一般的濾波器中, 共模扼流圈的作用主要是濾除低頻共模干擾?

 

高頻時(shí), 由于寄生電容的存在, 共模扼流圈對(duì)干擾的抑制作用逐漸減小或效果變得不確定, 主要依靠共模濾波電容（Y電容）? 

 

醫(yī)療設(shè)備由于受到漏電流的限制, 有時(shí)不使用共模濾波電容, 這時(shí)需提高扼流圈的高頻特性?

 

2、電路分享：

 

濾波器在EMC范疇中如字面意思，通常會(huì)用作直流和交流的電源濾波。

 

其基本電路對(duì)干擾的濾波效果很有限, 僅用在要求較低的場(chǎng)合? 

 

要提高濾波器的效果, 可在基本電路的基礎(chǔ)上增加一些器件, 下面列舉一些常用電路?

 

電路一：強(qiáng)化差模濾波方法

 

在濾波電容的右邊增加兩個(gè)差模扼流圈， 同時(shí)在差模電感的右邊增加一個(gè)差模濾波電容，如下圖所示：

 

電路二：強(qiáng)化共模濾波法

 

在共模濾波電容右邊增加一個(gè)共模扼流圈，對(duì)共模干擾構(gòu)成Ｔ形濾波。

 

電路三：強(qiáng)化共模和差模濾波方法

 

在共模扼流圈右邊增加一只共模扼流圈， 再加一只差模電容（X電容）。 

 

說(shuō)明：在一般情況下不使用增加共模濾波電容的方法增強(qiáng)共模濾波效果， 防止接地不良時(shí)出現(xiàn)濾波效果更差的問(wèn)題。

 

電源線濾波器作為滿足EMC要求而常用的器件，該如何選擇？

 

其中插入損耗對(duì)于濾波器而言是最重要的指標(biāo)? 

 

由于電源線上既有共模干擾也有差模干擾, 因此濾波器的插入損耗也分為共模插入損耗和差模插入損耗?

 

如下為某系列濾波器的共模和差模插入損耗：

 

插入損耗是一個(gè)隨頻率變化而變化的參數(shù)，越大越好? 

 

幾乎所有的電源線濾波器手冊(cè)都僅給出30MHz以下頻率范圍內(nèi)的衰減特性?如下為某電源濾波器參數(shù)：

 

這是因?yàn)镋MC 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射的限制僅到30MHz (軍標(biāo)僅到10MHz), 并且大部分濾波器的實(shí)際性能在超過(guò)30MHz時(shí)開(kāi)始變差。

 

但在實(shí)際應(yīng)用中, 濾波器的高頻特性是十分重要的? 

 

電源線濾波器的高頻特性差的主要原因有兩個(gè): 

 

一個(gè)是內(nèi)部寄生參數(shù)造成的空間耦合。

 

另一個(gè)是濾波器件的不理想性?

 

因此, 改善高頻特性的方法也從這兩個(gè)方面著手：

 

 (1) 內(nèi)部結(jié)構(gòu): 濾波器的連線要按照電路結(jié)構(gòu)向一個(gè)方向布置, 在空間允許的條件下, 電感與電容之間保持一定的距離, 必要時(shí)可設(shè)置一些隔離板, 以減小空間耦合?

 

 (2) 濾波器件: 電感要控制寄生電容? 必要時(shí), 可使用多個(gè)電感串聯(lián)的方式? 差模濾波電容的引線要盡量短, 共模電容的引線也要盡量短?