电磁兼容之滤波器篇Word格式文档下载.docx

电磁兼容之滤波器篇Word格式文档下载.docx

《电磁兼容之滤波器篇Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁兼容之滤波器篇Word格式文档下载.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

（EMP）电磁脉冲Electromagneticpulse:

——宽带高密度瞬变现象，如闪电、核爆炸。

（ESD）静电放电Electrostaticdischarge:

——由静电磨擦产生的瞬变现象。

二电磁兼容标准概述

2．1电磁兼容标准可以分为四级

1）基础标准——涉及EMC术语、电磁环境、EMC测量设备规范和EMC测量方法。

是编制其它各级EMC标准的基础。

2）通用标准——给通用环境中的所有产品提出一系列最低的电磁兼容性要求。

通用标准给出的试验环境、试验要求可以成为产品类标准和专用产品标准的编制导则。

3）产品类标准——根据特定产品类别而制订的电磁兼容性能的测试标准。

它包含产品的电磁骚扰发射和产品的抗扰度要求两方面的内容。

4）专用产品标准——通常不单独形成电磁兼容标准，而以专门条款包含在产品的通用技术条件中。

专用产品标准对电磁兼容的要求与相应的产品类标准相一致，在考虑了产品的特殊性后，可增加试验项目和对电磁兼容性能要求作某些改变，对产品的电磁兼容性要求更加明确。

2．2电磁兼容标准的内容

我们的产品是解决传导干扰的主要工具。

CE——传导发射CS——传导敏感度RE——辐射发射RS——辐射敏感度

2．3能量传播的途径

电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途径只有两个，一个是以电磁波的形式从空间传播，另一个是以电流的形式沿导线传播。

因此，电磁干扰发射可以分为:

传导发射和辐射发射；

敏感度也可分为传导敏感度和辐射敏感度。

各种电磁兼容标准测试的内容包括:

传导发射、辐射发射、传导敏感度、辐射敏感度。

三电磁兼容问题三要素

3．1电磁骚扰源：

任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，即称为电磁骚扰源。

3．2耦合途径：

即传输骚扰的通路或媒介。

3．3敏感设备（Victim）：

是指当受到电磁骚扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。

许多器件、设备、分系统或系统既是电磁骚扰源又是敏感设备。

系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。

所以，在解决电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。

四解决干扰问题的一般途径

电磁兼容可通过将干扰抑制于扰乱

电子系统或子系统正常工作的电平以下

来实现，这种兼容一般通过采用滤波器

及将元件或设备屏蔽而获得。

图中给出

了一个EMI发射机/受感器系统干扰耦合

路径的示例。

图中发射机代表一个产生噪声的系统或分系统，受感器代表一个对发射敏感的噪声系统或分系统。

在现实世界中，一个系统或分系统可以被模拟为一个发射机或受感器，虚线表示辐射干扰，实线表示传导干扰，箭头表示发射或传导耦合方向。

A线表示发射机通过辐射途径直接耦合到受感器的干扰。

B线表示互连电缆也可作为噪声辐射发射机。

C线表示互连电缆可作为受感器对由辐射引起的噪声产生响应。

D线代表互连电缆间发生的串扰，一根导线上的噪声可通过电容或电感耦合到其它导线上。

由此可见，起初由辐射发射引起的噪声通过场至线的耦合，在受感器系统中可表现传导响应。

五滤波器概述

即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽、接地措施的产品，仍然会有传导干扰发射或传导干扰进入产品。

当传导发射（CE）不合格时，由于天线效应，设备的辐射发射（RE）也可能不合格。

为了满足EMC标准规定的CE和CS（传导敏感度）极限值要求，使用EMI滤波器是一种好方法。

通常要采用某种形式的滤波以降低电源线及信号线的发射，滤波器衰减决定于源及负载阻抗。

即若滤波器与源、负载阻抗不匹配，将会产生最小的传输信号（EMI）功率。

另外还要考虑电磁干扰是共模还是差模。

共模是指两导体上的对地参考噪声电压，差模是指一个导体相对另一个导体的电压，一般情况下两种电磁干扰都需要衰减。

5．1滤波器的作用

在电磁屏蔽技术中我们已经知道，任何直接穿透屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的失效。

在实际中，很多出现屏蔽问题的机箱（机柜）就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败，这是缺乏电磁兼容经验的设计师感到困惑的典型问题之一。

解决这个问题的有效方法之一是在电缆的端口处使用滤波器，滤除电缆上不必要的频率成份，即可以减小电缆产生的电磁辐射，也可以防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内部。

概括的说：

滤波器的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必要的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减小为最少。

从电磁兼容的角度考虑，电源线也是一个穿过机箱的导体，它对设备电磁兼容性的影响与信号线是相同的。

因此电源线上必须安装滤波器。

特别是近年来开关电源广泛应用，开关电源的特征除了体积小、效率高、稳压范围宽外，强烈的电磁干扰发射也是一大特征，电源线上如果不安装滤波器，就没有可能满足电磁兼容的要求。

安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器。

之所以这样划分，主要是两者除了都有对电磁干扰有足够大的抑制作用外，分别还有一些特殊的考虑：

信号滤波器要考虑滤波器不能对工作信号有严重的影响，不能造成信号的失真。

电源滤波器除了要保证满足滤波的要求外，还要注意当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和（导致滤波器性能下降）。

5．2滤波器的基本原理:

滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。

由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。

其基本原理有三种:

A）利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）；

B）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；

C）利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。

5．3干扰滤波器的种类

根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。

低通滤波器是最常用的一种，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。

如在数字设备中，脉冲信号有丰富的高次谐波，这些高次谐波并不是电路工作所必需的，但它们却是很强的干扰源。

因此在数字电路中，常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作最低频率。

电源线滤波器即是低通滤波器（我们BCT公司产品主要是低通滤波器），它仅允许50Hz的电流通过，对其它高频干扰信号有很大的衰减。

常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地之间（滤除差模干扰电流）或信号线与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流）电感串联在要滤波的信号线上。

按照电路结构分，有单电容型（C型），单电感型，L型和反Γ型，T型，π型。

高通滤波器用于干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。

带通滤波器用于信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通信信号通过。

带阻滤波器用于干扰频率带宽较窄，而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。

不同结构的滤波电路主要有两点不同：

1．电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。

2．不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗，它们的关系应遵循阻抗失配原则。

但要注意的是，实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时（电磁干扰问题往往发生在高频），由于电路寄生参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路的阻抗往往还与电路的工作状态有关，再加上电路阻抗在不同的频率上也不一样。

因此，在实际中，哪一种滤波器有效主要靠试验的结果确定。

5．4电源线上干扰的类型:

电源线上的干扰电流按照其流动路径可以分为两类:

一类是差模干扰电流，另一类是共模干扰电流。

差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，共模干扰电流是在火线、零线与大地（或其它参考物体）之间流动的干扰电流，由于这两种干扰的抑制方式不同，因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。

共模干扰一般是由来自外界或电路其它部分的干扰电磁波在电缆与“地”的回路中感应产生的，有时由于电缆两端的接“地”电位不同，也会产生共模干扰。

它对电磁兼容的危害很大，一方面，共模干扰会使电缆线向外发射出强烈的电磁辐射，干扰电路的其它部分或周边电子设备；

另一方面，如果电路不平衡，在电缆中不同导线上的共模干扰电流的幅度、相位发生差异时，共模干扰则会转变成差模干扰，将严重影响正常信号的质量，所以人们都在努力抑制共模干扰。

差模干扰主要是电路中其它部分产生的电磁干扰经过传导或耦合的途径进入信号线回路，如高次谐波、自激振荡、电网干扰等。

由于差模干扰电流与正常的信号电流同时、同方向在回路中流动，所以它对信号的干扰是严重的，必须设法抑制。

综上所述可知，为了达到电磁兼容的要求，对共模干扰和差模干扰都应设法抑制。

5．5EMI电源滤波器

电磁干扰（EMI）电源滤波器（以下简称滤波器）是由电感、电容组成的无源器件。

实际上它起两个低通滤波器的作用，一个衰减共模干扰另一个衰减差模干扰。

它能在阻带（通常大于10KHz）范围内衰减射频能量而让工频无衰减或很少衰减地通过。

EMI电源滤波器是电子设备设计工程师控制传导干扰和辐射电磁干扰的首选工具。

电源线滤波器的基本电路

电源线滤波器的基本电路如图所示，下面对各个器件的作用进行一个简单的介绍：

差模滤波电容：

跨接在火线和零线之间，对差模电流起旁路作用。

电容值为0.1~1微法。

共模滤波电容：

跨接在火线或零线与机壳地之间，对共模电流起旁路作用，电容值不能过大，否则会超过安全标准中对漏电电流（3.5mA）的限制要求，一般在10000pF以下，医疗设备中对漏电流的要求更高，在医疗设备中，这个电容的容量更小，甚至不用。

共模扼流圈：

在普通的滤波其中，往往仅安装一个共模扼流圈，利用共模扼流圈的漏电感产生适量的差模电感，起到对差模电流的抑制作用。

有时，人为的增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量。

共模扼流圈的电感量范围为1mH~数十mH，取决于要滤出的干扰的频率，频率越低，需要的电感量越大。

在一般的滤波器中，共模扼流圈的作用主要是滤除低频共模干扰，高频时，由于寄生电容的存在，对干扰的抑制作用已经较小，主要依靠共模滤波电容。

医疗设备由于受到漏电流的限制，有时不使用共模滤波电容，这时，要提高扼流圈的高频特性。

基本电路对干扰的滤波效果很有限，仅用在要求很低的场合。

要提高滤波器的效果，可在基本电路的基础上增加一些器件，下面列举一些常用电路：

强化差模滤波方法一：

与共模扼流圈串联两只差模扼流圈，增大差模电感；

强化差模滤波方法二：

在共模滤波电容的右边增加两只差模扼流圈，同时在差模电感的右边增加一只差模滤波电容；

强化共模滤波：

在共模滤波电容右边增加一只共模扼流圈，对共模干扰构成T型滤波；

强化共模和差模滤波：

在共模扼流圈右边增加一只共模扼流圈，再加一只差模电容。

说明：

一般情况下不使用增加共模滤波电容的方法增强共模滤波效果，防止接地不良时出现滤波效果更差的问题。

5．6电源线滤波器的主要指标:

当我们帮客户选用电源线滤波器时，应主要考虑几个方面的指标。

首先是额定电压／额定电流，其次是插入损耗，泄露电流（直流电源滤波器不考虑泄露电流的大小），结构尺寸，最后是耐压测试。

由于滤波器内部一般是经过灌封处理的，因此环境特性不是主要问题。

但是所使用的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定影响。

A）电压、电流对使用效果的影响:

电压有直流和交流之分。

从原理上讲，交流电源线滤波器既可用在交流电源上，也可以在直流电源上使用，但直流电源线滤波器不能用在交流的场合。

电源线滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会造成滤波器过热，而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。

B）插入损耗对使用效果的影响:

从抑制干扰的角度考虑，插入损耗是最重要的指标。

其定义是：

插入损耗表示为

。

根据下图中功率与负载电压（电流）及负载阻抗的关系变换，常用负载电压（电流）的比值表示，即：

EMI滤波器对EMI传导噪声的抑制能力用插入损耗IL（InsertionLoss）来衡量，插入损耗定义为：

没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示。

插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。

滤波器接入前（a）、后（b）的电路如下图所示。

（a）（b）

插入损耗的测试原理图如下：

共模插入损耗测试原理差模插入损耗测试原理

C）泄露电流对滤波器特性的影响：

滤波器的泄漏电流是指在250VAC/50Hz的电压下，火线和零线与外壳间流过的电流。

它主要取决于滤波器中的共模电容的大小。

从插入损耗考虑，共模电容越大，高频滤波效果越好，此时，漏电流也越大。

但从安全方面考虑，泄漏电流又不能过大，否则不符合安全标准要求。

尤其是一些医疗保健设备，要求泄漏电流尽可能小，性能还要尽可能的好，所以只能加大体积来提高滤波器的插入损耗性能。

因此，要根据具体设备要求来确定共模电容的容量。

泄漏电流测试电路

D）影响电源线滤波器外形尺寸的因素

滤波器的体积主要是由滤波电路中的电感所决定，电感线圈的体积越大，滤波器的体积也越大。

以下因素会影响电感的体积:

1）额定电流:

当滤波器的额定工作电流较大时，电感线圈要使用较粗的导线绕制，这自然会增加体积；

另外，为了防止磁芯发生磁饱和现象，往往要使用体积较大的磁芯，这也会增加体积。

2）低频特性:

当需要滤波的干扰信号的频率较低时共模扼流圈和差模扼流圈的电感量都需要很大，这就导致了电感元件的体积增加。

例如开关电源的频率越低，则需要滤波器中的电感量越大。

5．7电源滤波器高频插入损耗的重要性

尽管各种电磁兼容标准中关于传导发射的限制仅到30MHz（旧军标到50MHz，新军标到10MHz），但是对传导发射的抑制绝不能忽略高频的影响。

因为，电源线上高频传导电流会导致辐射，使设备的辐射发射超标。

另外，瞬态脉冲敏感度试验中的试验波形往往包含了很高的频率成份，如果不滤除这些高频干扰，也会导致设备的敏感度试验失败。

电源线滤波器的高频特性差的主要原因有两个，一个是内部寄生参数造成的空间耦合，另一个是滤波器件的不理想性。

因此，改善高频特性的方法也是从这两个方面着手。

内部结构：

滤波器的连线要按照电路结构向一个方向布置，在空间允许的条件下，电感与电容之间保持一定的距离，必要时，可设置一些隔离板，减小空间耦合。

电感：

按照前面所介绍的方法控制电感的寄生电容。

必要时，使用多个电感串联的方式。

电容的引线要尽量短。

要理解这个要求的含义：

电容与需要滤波的导线（火线和零线）之间的连线尽量短。

如果滤波器安装在线路板上，线路板上的走线也会等效成电容的引线。

这时，要注意保证时机的电容引线最短。

共模电容：

对这个要求的理解和注意事项同差模电容相同。

但是，滤波器的共模高频滤波特性主要靠共模电容保证，并且共模干扰的频率一般较高，因此共模滤波电容的高频特性更加重要。

使用三端电容可以明显改善高频滤波效果。

但是要注意三端电容的正确使用方法。

即，要使接地线尽量短，而其它两根线的长短对效果几乎没有影响。

必要时可以使用穿心电容，这时，滤波器本身的性能可以维持到1GHz以上。

5．8电源滤器的几种端接方式

EMI电源滤波器为了和相关的设备连接都设有输入、输出端子，由于相关设备有不同情况的需要，所以有几种可供选择的端子，它们是：

导线型、插针型、焊片型、螺栓型、栅栏型、贴片型、铜排型和插座型等还可以定做特殊的连接方式。

它们分别适用的场合一般为：

导线型：

用户在使用时，可以直接利用滤波器提供的导线和相关设备连接，所以方便用户使用，如果滤波器提供的导线长度不够，可在定货合同中提出。

插针型：

是为印刷电路板设计的专用EMI电源滤波器，所以一般体积较小。

焊片型：

焊片型又名快速连接型，因为采用了专用的焊片，它的外形、厚薄可和一种专用的接线夹相配，所以EMI电源滤波器一旦固定好后，便可与事先准备好的、带接线夹的导线快速插入连接。

因此比较适合规模生产。

螺栓型：

由于连接比较牢固可靠，所以比较适合用于、在运动状态下工作的设备，如军事装备、车载、船舰等。

同时随着螺栓截面的增大、所能承载的工作电流也随之增大，有很宽的工作电流范围，特别是特大电流的EMI电源滤波器。

栅栏型：

与螺栓型类似、连接也比较牢固可靠；

也随着螺丝截面的增大、而增大承载的工作电流，目前能承载的最大工作电流为100A左右。

其最大的特点是由于它的栅栏结构，可在栅栏结构上按装安全保护盖，以防止工作人员在工作过程中因不慎误触端子而触电。

贴片型：

众所周知，贴片型元器件是伴随集成电路的出现而产生的，不言而喻是个微小型的元器件，当然贴片型EMI电源滤波器也不会例外，可以这么说，对于性能比较全面的EMI电源滤波器，目前尚处于发展阶段。

我公司目前也只限于≤6A的直流EMI电源滤波器。

铜排型：

方便大电流的连接，安全可靠。

插座型：

国际标准IEC连接器，体积小安装方便。

5.9耐压测试（测试设备为耐压测试仪）

为确保电源滤波器的质量和设备及人身安全，出厂前全部进行耐压测试。

决定线－线之间耐压性能的关键器件就是差模电容Cx，若差模电容Cx的耐压性能欠佳，在出现峰值浪涌电压时，可能被击穿。

它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器功能丧失或性能下降。

Cy电容器除了满足接地泄漏电流的要求外，还在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，避免在极端恶劣的环境条件下出现击穿短路现象。

故相对地之间的耐压性能对保护人身安全有重要意义，一旦设备或装置的绝缘保护措施失效，可能导致人员伤亡。

因此，必须对接地电容（Cy）进行严格的耐压测试，时间一分钟，不发生放电现象和咝咝声。

由于这种耐压测试对内部器件带有一定损伤，用户测试次数不能过多，时间不能过长。

否则会降低滤波器的寿命，甚至损坏滤波器。

交流单相电源滤波器测试电压:

相—地：

1500VAC

相—相：

1450VDC

交流三相三线电源滤波器测试电压：

1450VDC

交流三相四线电源滤波器测试电压：

相—中：

直流电源滤波器测试电压：

500VDC

200VDC

5．10滤波器的安装注意事项

为减小接地电阻，滤波器应安装在导电金属表面或通过编织接地带与接地点就近相连（如下图），避免细长接地导线造成较大的接地阻抗。

（a）错误接法（b）正确接法

滤波器安装时应保证良好接地

滤波器应尽量安装在设备的入口/出口处（如下图）。

电源滤波器的安装位置

为避免输入/输出互相耦合。

应尽量做到输入/输出隔离，至少严格禁止滤波器输入/输出线的相互交叉，路径平行等（如下图）。

若相互位置及空间的限制，无法满足上述要求，则滤波器的输入/输出线必须采用屏蔽线或高频吸收线。

安装使用电源滤波器应注意输入/输出的空间隔离

※国标与国军标对比

国（军）标中规定了各类电子设备的电源线传导发射极限值。

图6中分别给出了GJB151、GJB151A中CE103、CE102规定的典型电源线传导发射极限值，图7中给出了GB9254中A级及B级设备的传导发射极限值。

若受试设备传导发射超标，可参照发射极限值确定插入损耗指标，选用合适的电源滤波器。

图6GJB151和GJB151A中规定的电源线传导干扰发射极限值

图7GB9254中规定的电源线传导干扰发射极限值

图8共模干扰和差模干扰的频率分布（频率MHz）

对比军标和国标的极限值曲线，GJB151规定的频率范围为15KHz～50MHz，GJB151A中规定的频率范围为10KHz～10MHz。

而GB9254规定的频率范围为100KHz～30MHz；

军标测试采用峰-峰值检波，民标采用准峰值检波。

所以，总体来看，军标要求要比民标要求严酷得多（军标的测试方法见电磁兼容测量方法和测量设备介绍），实际测试中往往大量存在着超标现象。

根据大量控制设备传导干扰的经验，总结出图8所示的CM（共模干扰）和DM（差模干扰）信号电平的分布图，它反映了这两种类型传导干扰占主要地位的频段分布。