EMI滤波器的防护设计.

EMI滤波器的防护设计滤波器•电源滤波器•信号滤波器电源线上既有mV级骚扰电压,也有数百,上千伏瞬态骚扰(其中,浪涌,电快速瞬变脉冲群占88.5%,电压跌落占11%,电压中断占0.5%),特别是对敏感设备,会造成直接影响.是45%计算机丢失数据和发生故障的主要原因.电子设备含有CPU,开关电源,可控硅,变频调速,马达,继电器等时,也会对外界产生骚扰电源线滤波器电源滤波器是由电感、电容和电阻构成，允许直流或50Hz的电流通过，对频率较高的干扰信号有较大衰减，即低通高阻。一般选用实用滤波器主要从三个方面考虑：电流/电压、插入损耗、结构尺寸。电源滤波器的原理电源滤波器信号滤波器电源PCB切断干扰沿电源线或信号线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的辐射和干扰防护。滤波器的作用共模电感差模电容共模电容电源滤波器的基本电路•截止频率•插入损耗•额定工作电压、电流•环境特性•体积、重量•漏电流电源滤波器的主要指标插入损耗3dB截止频率频率滤波器的截止频率截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能性信号的带宽，保证设备的正常工作，同时最大限度的衰减干扰信号EMI电源滤波器插入损耗的计算方法插入损耗的定义经典的滤波器理论是以插入衰减理论为基础的滤波器设计方法，如转移函数表示一个端口的电压（电流）和另一端口的电压（或电流）之间的关系，以电压转移函数为例,当输出端开路时，电压转移函数定义为:电压增益=V0(s)/VIN(s)电压衰减=VIN(s)/V0(s)但EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I.L（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。如我们采用A参数表示滤波器网络，A参数矩阵为：则所以EMI滤波器插入损耗和插入衰减的定义不同不能直接照搬,为此EMI滤波器的插入损耗需要重新推导。21/log10PPLI212221log20/log10VVVVLILSSLSLRRRRRRaaRaLI22211211log2022211211aaaaA低频差模插入损耗的推导单环差模插入损耗双环差模插入损耗LseexxxexxexxexxexxxxxlseexeeeexxexexexseexxexexexLDMRRLLCCCLCCLCCLCCLCCCCCRRLLCLLLLCCLCLCLCRLLCCLCLCLCRLIlog20)()()1()1(log10.2213215232323131313121332121232122121422221211221324232132122LRsRxCxCeLxCxCLRsReLLCsRxCeLLRDMLIlog202)2'12'1(2)1()2'21(log10.插入损耗的原理图电源滤波器一般常用的典型电路从以上对开关电源干扰的分析和实测的结果，都说明开关电源的干扰频率和频域要比工频电源的频率50Hz～400Hz高得多和宽得多。因此，作为抑制干扰的电源滤波器应该是一个性能优良的低通滤波器，它只让工频通过，要抑制除工频外的一切无用或有害干扰频率，由于电路近似对称所以又具有双向抑制功能。根据抑制干扰的能力又分为一般性能和高性能两种电源滤波器。IL=20lg(v1/v2)滤波器V1V2同轴电缆同轴电缆同轴电缆滤波器的插入损耗滤波器插入损耗曲测试线增加差模扼流圈后的效果插入损耗的测量方法MIL-STD-220A或CISPR17出版物4.1提出的滤波器标准测量方法：1.共模插入损耗的典型测量方法根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50Ω上的电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后，负载50Ω上的电压V2，通过频谱分析仪将20log(V1/V2)随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来。注意测量时，滤波器的输入端和输出端是并联的。目的是取得共模插入损耗的平均值，同时也减少了测量次数。0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω阻抗测量方法上述测量方法又称为50Ω系统测量方法，即源和负载阻抗均在50Ω匹配的条件下测量，是目前许多滤波器制造商传统沿用的测量方法。在实际情况，由于源阻抗和负载阻抗（设备的阻抗）不可能是恒定的50Ω，所以实际获得的滤波器插入损耗特性与用50Ω系统测量获得的滤波器插入损耗特性不会相同。为此，CISPR出版物4.2.2.2部分提出一种近似的方法，即0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω系统测量方法。见图5.59。Ly=0.3-38mH，Cy0.1μF漏电流3.5mALx=几十-几百μHCx0.1FIL(dB)=20log(1+ZsZ1/Zt(Zs+Zl))IL（dB)=20log(1+100X600/0.08(100+600))=20log1072=61dBIL（dB)=20log(E1/E2)实际滤波器特性理想滤波器特性dBfHz电源线滤波器的特性CTL反源阻抗电路形式负载阻抗高C型、π型或多级π型高高Г型或多级Г型低低反Г型或多级反Г型高低L型、T型多级T型低低通滤波器类型LCf1/（2π√LC）f0ZL实际电感理想电感单电感型滤波器单电容型滤波器ZC实际电容理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器电容量谐振频率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.63300pF19.31100pF33680pF42.5330pF601/2LCCL插入损耗3dBL、C数值决定频率L、C个数决定截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！影响滤波器特性的参数影响滤波器体积的主要因素：电感量、结构是否紧凑体积小的滤波器：•截止频率高，低频特性差•高频特性差截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！选择适当的截止频率不能单纯追求滤波器体积小插入损耗频率这个干扰始终不能滤掉并非级数越多性能越好器件距离对高频性能的影响共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵消，因此磁心不会饱和。防止磁心饱和的方法电源线滤波器的特性损耗频率理想滤波器特性实际滤波器特性一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。30MHz越来越受到关注电子设备共模干扰电流差模干扰电流干扰电流的种类国际耐压规范共模耐压德国VDE0565.2高压测试(AC)P，NE1.5kV/50Hz1分钟瑞士SEV1055高压测试（AC）P，NE2Un+1.5kV/50Hz1分钟美国UL1283高压测试（AC）P，NE1kV/60Hz1分钟其中瑞士SEV105规范要求最高为2KV/50Hz1分钟差模耐压德国VDE0565.1高压测试（DC）PN4.3UnkV1分钟瑞士SEV1055高压测试（DC）PN4.3UnkV1分钟美国UL1283高压测试（DC）PN1.414kV1分钟其中美国UL1283规范要求最高为1.41KV/50Hz1分钟PN耐压测试采用直流电压的原因是因为Cx容量较大，如果采用交流测试则要求耐压测试仪的电流容量很大，造成成本高，体积大。采用直流电压测试就不存在这种问题。泄漏电流与安全任何典型滤波器电路的共模电容Cy都有一端接金属机壳。从分压角度看，滤波器金属外壳都带有1/2额定工作电压。如工作电压为220V（AC），那么外壳带有110V（AC）电压，因此从安全角度出发，滤波器通过Cy到地端的泄漏电流（LeakageCurrent）要尽可能地小，否则将危及人身安全。国家安规名称对于一级绝缘的设备，泄漏电流的极限值美国UL478UL12835mA,120V,60Hz0.5~3.5mA,120V,60Hz加拿大C22.2No.15mA,120V，60Hz瑞士SEV1054-1IEC335-10.75mA,250V,50Hz德国VDE08043.5mA,250V,50Hz这里要说明的是：1)泄漏电流直接和电网电压、电网频率成正比。2)在检验滤波器泄漏电流时，一定要采用符合国际规范的测量电路。3)三相滤波器的泄漏电流应是各相泄漏电流之和。国际上泄漏电流的安全规范射频干扰滤波器单路馈通滤波器线路板安装形式面板安装形式（馈通式安装）底板安装形式双路滤波器多路滤波器大电流馈通滤波器小型馈通滤波器高性能交流滤波器高性能直流滤波器圆形多路滤波器D型滤波连接器单相交流滤波器三相交流滤波器交流馈通滤波器电磁干扰滤波器的型谱传导发射传导发射的对策EMI滤波器的正确选择和使用选择滤波器时,应首先选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。EMI源滤波器是以工频为导通对象的低通滤波器，是在不匹配的条件下工作的，因为在实际应用中无法实现匹配。如滤波器输入端阻抗Rs电网阻抗是随着用电量的大小变化的；而滤波器输出端的阻抗RL是随电源负载的大小变化的，要想获得理想的抑制效果，应遵循以下的连接规律。理由是显而易见的，这种连接方式无论从输入端或输出端进入滤波器的电磁噪声均能在滤波器内获得最大的抑制。失配的对应电路或RL小或RSRL大大RS小RL大或RL小或大RSRS小按此原则如在实际运用中仍不够理想时，应分析原因：【原因之一】是对被防护设备的干扰源情况预计不足，特别是共模干扰、差模干扰谁重谁轻？因为频谱仪检测的是综合参数。但可作如下分析：【原因之二】是由于滤波器的电感和电容元件都受其分布参数的影响，频率愈高，所受的影响愈大。在实际生产过程中，如果装配工艺不严格，或者电感、电容元件离额定值的偏差过大，则产品插入损耗离产品说明书的插入损耗值就大，也会造成实际效果不够理想。【原因之三】是发生在重载和满载的情况。造成的主要原由可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时，产生磁饱和现象，致使电感量迅速下降，导致插入损耗性能大大变坏。其中尤以有差模电感的滤波器为多。PCB滤波器输入线较长PCB滤波器输入、输出线耦合电源滤波器的错误安装1PCB滤波器接地不良绝缘漆接地不良时滤波效果变差I电源滤波器的错误安装2PCB滤波器滤波效果最佳1输入线尽量短2输入、输出线隔离3接地良好电源滤波器的正确安装正确的安装方法1.为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），滤波器除一定要安装在设备的机架或机壳上外，为了尽量缩短滤波器的接地线，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，见图5.79所示。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构成地电流回路，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，导致滤波器高频衰减特性变坏。所以金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。2.滤波器要安装在设备电源线的输入端，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，输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分，见图5.80。4.要将滤波器正确地连接到设备内部的每一单元。若带有单独电源的若干单元安装在同一个机架内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接滤波器，否则在机架内这些单元中的每一单元的干扰都会传导给其他单元，见图5.81。EMI滤波器设计使用实例EMI滤波器设计使用实例EMI滤波器设计使用实例EMC测试结果举例开关电源DC/DC模块测试结果；图中明显看出开关频率（580kHz）的基波和各次谐波。EMC测试结果举例电源线传导骚扰抑制1.开关电源必须加电源滤波器。它的主要作用是抑制5MHz开关电源所产生的高次谐波。2.电源线上加铁氧体磁环。一方面可抑制电源线内的高频共模传导骚扰；另外一方面，能减小通过视盘机电源线辐射出去的骚扰能量。3.设计解码板时应注意:1.电源线尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积。2.时钟线、信号线也尽可能靠近地线，并且走线不要过长，以减小回路的环面积。3.高速逻辑电路应靠近连接器边缘，低速逻辑电路和存储器则应布置在远离连接器处，中速逻辑电路则布置在高速逻辑电路和低速逻辑电路之间。4.电路板上的印制线宽度不要突变，拐角应采用圆弧形，不要直角或尖角