阻抗失配原则在电磁干扰滤波器设计中的应用分析

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  <strong><font size="2">摘&nbsp;&nbsp;要：</font></strong> <font size="2">介绍了电源中的EMI（Electro Magnetic Interference）干扰，电源EMI滤波器的技术原理；重点讨论了它的技术参数和选用时注意事项；典型滤波器的应用分析。</font> <div><font color="#000000"><strong><font size="2">　　关键词：</font></strong> <font size="2">电磁干扰&nbsp; 插入损耗&nbsp; 阻抗搭配&nbsp; 测试</font></font></div><div><font color="#000000" size="2"><strong>1 引言</strong></font></div><div><font color="#000000">　　近几年来，随着电磁兼容工作的开展，电源滤波器技术应用得越来越广泛。为了对电源EMI技术有更深入的理解，尤其它的技术原理、选用时关注的技术参数和注意事项，以及滤波效果分析等。结合工作，对电源EMI滤波器选用进行深一步探讨。</font></div><div><font color="#000000" size="2"><strong>2 概述</strong></font></div><div><font color="#000000">　　在电子设备供电电源上，存在有各种各样的外来干扰信号。很多电子设备本身，在完成其功能同时，也产生了形形色色的EMI信号，以及人为和大自然的EMI信号。这些EMI信号，通过传导和辐射的方式，影响着该环境里运行的电子设备。</font><font color="#000000">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</font></div><div><strong><font color="#000000"><font size="2">2&#46;1</font><font size="2">电源EMI电磁干扰</font></font></strong></div><div><font color="#000000">　　（美）IBM公司的一项研究表明：一台普通计算机装置每月都会遭受120多次电源干扰，且电源问题是造成美国45％以上的计算机装置丢失数据和发生故障的根本原因。其中脉冲干扰占39&#46;5％，振荡瞬变占49％，这两项共占88&#46;5％，是电源受到干扰的主要成分。电网中的负载切换、电网切换或其他各种故障都会使电网发生瞬变过程产生脉冲噪声，它通常也称瞬变噪声，其波形是一系列的单个脉冲或脉冲束。<br /></font></div><div><font color="#000000">&nbsp;　　<span>针对以上电网瞬变电压的干扰，如何提高设备（产品）对EMI的抗扰度，采取有效可靠的措施之一就是EMI滤波器。众所周知，屏蔽是控制EMI信号辐射危害的最好帮手。在对付EMI信号的传导干扰和某些辐射传导干扰方面，电源EMI滤波器是极有效的器件。几乎所有的电子设备都要求助于它来控制其运行时产生的EMI信号，因而得到非常广泛的应用。</span></font></div><div><font color="#000000"><span></span></font>&nbsp;</div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　电源EMI滤波器，又称为电磁干扰滤波器、电网滤波器、电网噪声滤波器等等，或统称为EMI滤波器。它是一种低通滤波器，把直流、50Hz或400Hz的电源功率毫无衰减地传输到设备上，大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受其害；同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。电源EMI滤波器是帮助电磁设备和系统满足有关电磁兼容性标准不可缺少的器件，如IEC、FCC、VDE、MIL-STD-461、GB9254和GB6833等。如图1&#46;2典型电源EMI滤波器的滤波曲线。在谈及电源EMI滤波器之前，让我们先来讨论共模（也叫作不对称）干扰信号和差模（也叫作对称）干扰信号。</font></div><p><font color="#000000"><strong><font size="2">2&#46;2 共模和差模干扰信号</font></strong> </font></p><div class="Axf297"><font color="#000000">　　关于上述各式各样的<span>EMI信号对电子设备的影响，其中把相线（L）与地线（E）和中线（N）与地线（E）之间存在的EMI信号称之为共模干扰信号，共模干扰信号可视为在L和N线上传输的电位相等、相位相同的信号。把L和N之间存在的干扰信号U3称为差模干扰信号，也可把它视为在L和N线上有180度相位差的干扰信号。对于供电系统的传导干扰信号，都可以用共模和差模干扰信号来表示。并且也可把L-E和N-E上的共模干扰和。</span></font></div><div class="Axf297"><font color="#000000"><span></span></font>&nbsp;</div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><span><font color="#000000">　　L-N上的差模干扰看作独立的EMI源（网络端口），来分析EMI信号的特性和设计抑制EMI信号的滤波网络。<br /></font></span></div><div><font color="#000000">　　它是由集中参数元件组成的无源网络，最大的网虚线表示滤波器的金属屏蔽外壳。有两只电感L1和L2，四只电容器Cx和Cy。即把滤波器的电源端接到被干扰设备的电源进线，滤波器的负载端接被干扰的设备，这样L1和Cy、L2和Cy分别构成L-E和N-E两对独立端口间的L型（反Γ）低通滤波器，用来抑制供电系统存在的共模EMI信号。其中，L1和L2构成共模扼流圈，由于实际应用中电感L1和L2的电感量是不一定相等的，于是，L1和L2之差便是差模电感Lｅ，它和Cx又构成L-N独立端口间的一个∏型低通滤波器，用来抑制差模EMI信号，从而实现对供电系统EMI信号的抑制，保护电子设备不受其影响。</font></div><p><font color="#000000">　　实际应用中，在电源线中往往同时存在共模和差模干扰，一般低于1MHz频率的干扰以差模为主，高于1MHz频率的干扰以共模为主。因此电源EMI滤波器是由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成。 <span class="Axf297">字串6</span> </font></p><div><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000" size="2"><strong>3 电源EMI滤波器的选用</strong></font></div><div><font color="#000000">　　选择和使用电源EMI滤波器时，考虑最主要的特性参数有额定电压、额定电流、插入损耗、阻抗搭配、工作环境条件（温度等），下面分别介绍，另外还要考虑体积、质量和可靠性等等。<br /></font></div><div><strong><font color="#000000" size="2">3&#46;1 额定电压</font></strong></div><div><font color="#000000">　　额定电压是电源EMI滤波器用在指定电源频率时的工作电压，也是滤波器最高允许的电压值。如用在50Hz单相电源的滤波器，额定电压为250V；用在50Hz三相电源的滤波器，额定电压为440V。若输入滤波器的电压过高，会使内部电容器损坏。</font></div><div>&nbsp;</div><div><strong><font color="#000000"><font size="2">3&#46;2</font><font size="2">额定电流</font></font></strong></div><div><font color="#000000">　　额定电流（Ir）是在额定电压和指定环境温度条件下所允许的最大连续工作电流。<br /></font></div><div><font color="#000000">　　随着环境温度的升高，或由于电感导线的铜损，磁芯损耗以及周围环境温度等原因导致工作温度高于室温，这时候就难以确保插入损耗的性能。我们应该根据实际可能的最大工作电流和工作环境温度来选择滤波器的额定电流。</font></div><p><font color="#000000">　　除特殊说明外，EMI滤波器说明书给出的额定电流均为室温＋25℃（标称温度）的值，同样给定的典型插入损耗或曲线也均指＋25℃的值。最大工作电流（Imax）、额定电流与温度之间的存在如下关系： 字串3 </font></p><div><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　式1&#46;0中：Imax为最大工作电流，Ir为室温下额定工作电流，Tmax为最高的工作温度＋85℃，Ta为实际工作温度，Tr为室温＋25℃。根据式2&#46;0，Imax/Ir与Ta的关系举例说明：＋25℃，Imax＝Ir；＋45℃，Imax＝0&#46;816Ir；＋85℃，Imax＝0。</font></div><div>&nbsp;</div><div><font color="#000000">　　另外，在国外一些滤波器公司规定，＋40℃（标称温度）为工作电流值Ir 。</font></div><p><font color="#000000">　　IEC气候等级为25/085时，指定环境温度为＋40℃（标称温度）条件下，查取其他环境温度所允许的工作电流曲线。 </font></p><p><font color="#000000"></font></p><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　影响工作电流和环境关系的主要原因之一就是滤波器中的软磁材料。<span>EMI滤波器一般采用高磁导率软磁材料锰锌铁氧体，初始磁导率μi＝7000～10000，但其居里点温度不高，优质的仅为130℃左右。磁导率越高，居里点温度越低，过居里点后磁导率迅速下降，从而导致滤波器中的电感值下降，严重影响滤波效果。</span></font></div><div><font color="#000000"><span></span></font>&nbsp;</div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　因此要根据工作温度来正确选择电源滤波器的额定电流，或者改善滤波器的散热条件（工作环境）来确保滤波器的安装使用。</font></div><div><strong><font color="#000000"><font size="2">3&#46;3</font><font size="2">插入损耗</font></font></strong></div><div><font color="#000000">3&#46;3&#46;1 插入损耗定义</font></div><div><font color="#000000">　　插入损耗是电源EMI滤波器最重要的技术参数之一，设计人员和工程应用人员考虑的中心问题就是：在保证滤波器安全、环境、机械和可靠性能满足有关标准要求的前提下，实现尽可能高的插入损耗。</font></div><div><font color="#000000"></font>&nbsp;</div><div><font color="#000000">　　滤波器的插入损耗是频率的函数，用<span>dB（分贝）表示。电路未接滤波器时，信号源在接受电路端电压（功率）为U（ P），接入滤波器后在接受端输入电压（功率）为U（ P） ，定义插入功耗I&#46;L（Insertion&nbsp;Loss）可以用下列方程推导出来：</span></font></div><div><font color="#000000"><span></span></font>&nbsp;</div><div><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　假设实际负载阻抗在滤波器插入前后保持不变，故<span>1&#46;1式的各功率可以由其相应的负载电压和阻抗的表达式来代替：</span></font></div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">方程中所表示的插入损耗，需要在任何频率下通过取下和插入滤波器来进行测量。<br /></font></div><div><font color="#000000">3&#46;3&#46;2共模损耗与差模损耗</font></div><div>　　<font color="#000000">电源EMI滤波器的插入损耗包括共模（表示为CM）插入损耗和差模（表示为DM）插入损耗。关于它们的具体测试方法，在CISPR第17号出版物中有过说明，这里就不再说明。例如某个厂家生产的DNF05-H-6AEMI滤波器，按有关标准测得的插入损耗。<br /></font></div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">3&#46;3&#46;3影响插入损耗的因素</font></div><div>　　<font color="#000000">影响电源EMI滤波器插入损耗的因素包括阻抗搭配和安装。实际应用中， EMI滤波器输入和输出端的阻抗已不是测得图2&#46;3曲线时的50Ω，所以它对干扰信号的衰减，不会等于产品标准或说明书中的给出的插入损耗。如果选用EMI滤波器的网络结构和参数合理，加上安装得当，则有可能实现优于标准中的规定的插入损耗。反之，如果网络搭配和参数的选择不当，安装又有问题，则有可能得不到好的应用效果，反而会得到相反的效果，如图2&#46;5出现插入损耗增益。</font></div><div><font color="#000000"></font>&nbsp;</div><div><font color="#000000">　　另外一个影响因素，就是滤波器的工作温度和额定工作电流。<span>EMI滤波器的插入损耗测量标准，CISPR第17号出版物，MIL-STD-220A和GB7343-87所规定的测量方法中，都一致强调了要在加载额定电流条件下进行它的插入损耗的测量。前文已介绍，这是因为滤波器中的电感L用了铁氧体或其他磁性材料，大电流工作下，磁性饱和状态引起性能变坏。如图2&#46;6是某有问题的EMI滤波器测试情况，曲线①是正常50Ω系统下测试的插入损耗曲线，曲线②是50Ω系统和30A额定电流下测试的插入损耗曲线，两者比较差别相当大。</span></font></div><div><font color="#000000"><span></span></font>&nbsp;</div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><strong><font color="#000000"><font size="2">3&#46;4 </font><font size="2">阻抗搭配</font></font></strong></div><div><font color="#000000">3&#46;4&#46;1阻抗搭配的原因</font></div><div><font color="#000000">　　选择滤波器时，首先应选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。首先选择滤波电路的原因是与滤波器要在匹配条件下工作的传统概念不同，所谓匹配意味滤波器需在保持输入/输出信号幅度不变（或某一固定比例）的前提下，将其中部分频谱做预期的处理或变换，而EMI电源滤波器不同，它是个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，因为在实际应用中无法实现匹配，如滤波器输入端阻抗RI——电网源阻抗是随着用电量的大小变化的，滤波器输出端的阻抗Rl（负载阻抗）——电源阻抗是随着电源负载的大小变化的，要想获得理想的抑制效果，应遵循正确的阻抗搭配。</font></div><div>&nbsp;</div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　无论怎样复杂的电源EMI滤波器，都可以把它的共模和差模滤波网络抽象出来。<br /></font></div><div><font color="#000000">3&#46;4&#46;2阻抗失配分析</font></div><div><font color="#000000">　　可以分析出，一般在电源EMI滤波器电路网络中，电感L看作高阻元件，电容C看作低阻元件。为了达到滤波更好的效果，按照滤波器的不匹配原则：如果实际负载为感性高阻，则选择输出负载为容性低阻的滤波器；如果实际负载为容性低阻，则选择输出负载为感性高阻的滤波器。同样，对于滤波器的输入阻抗和电网源阻抗，也应该按照阻抗失配原则来选择滤波器。 </font></div><p class="Ihr644"><font color="#000000">　　</font><font color="#000000">由式<span>1&#46;4可知，Zo与Rl相差越大，ρ就越大，端口产生的反射也就越大。对被控制的干扰信号，当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时，EMI信号会在它的输入和输出端口产生很强的反射。这样一来，滤波器对EMI信号的衰减，等于滤波器的固有插入损耗加上反射损耗。在EMI滤波器的实际使用中，可用阻抗失配来实现对EMI信号更加有效抑制。这就是为什么选用EMI滤波器时，一定要仔细分析其端口阻抗的正确搭配，使产生尽可能大的反射，达到对EMI信号的有效控制的原因。</span> </font></p><div class="Ihr644"><font color="#000000">3&#46;4&#46;3实际应用分析</font></div><div><font color="#000000">　　在电源滤波器选型时，根据我们控制系统DCS产品的要求，有两家滤波器生产厂家提供了样机并进行了测试，下面就我们实际测试应用中的情况给予分析和介绍。<br /></font></div><div><font color="#000000"></font></div><div align="center"><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">　　EFT输出脉冲干扰的参数：单个脉冲上升时间为5ns，单个脉冲周期为50ns，频率为20MHz，单个脉冲串持续时间为15ms，脉冲串周期为300ms，电压峰值分别设置为1000V和2000V。示波器设置的参数相同，且测量的接法也相同。测试结果比较如图2&#46;10。 </font></div><div class="Ihr644"><font color="#000000">字串7</font></div><p><font color="#000000"></font></p><div><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">（A）峰值1000V时，滤波效果比较（左NF型，右HT型）</font></div><div><font color="#000000"></font></div><div><font color="#000000">（B）&nbsp; 峰值2000V时，滤波效果比较（左NF型，右HT型）</font></div><div><font color="#000000">图2&#46;10 <span>（A）（B）为两种滤波器在不同干扰电压下的滤波效果比较</span></font></div><div><font color="#000000">测试分析：</font></div><p><font color="#000000">&nbsp;　　<span>⑴ 首先从两种滤波器的电路网络框图上分析，两个电路网络构成的元器件基本相似，且都是双级滤波网络，两者对共模、差模干扰都有抑制。惟一不同点就是图2&#46;8（a）NF型网络输出负载是容性的；（b）HT型滤波器网络输出负载是感性的。为了增强抑制，按照阻抗失配原则，NF型应该接感性负载，HT型应该接容性负载。</span> </font><font color="#000000">　</font> </p><p><font color="#000000"></font></p><div><font color="#000000">　　⑵ 从测试结果图2&#46;10（A）、（B）中可以看出，示波器通道①显示曲线为滤波前干扰信号，通道②显示曲线为通过滤波器的干扰信号。显然两种型号的滤波器对干扰信号的滤波效果差别很大：型号NF的滤波器滤波效果明显优于HT型号滤波器。而且，HT型号滤波器根本没有对干扰信号进行抑制，反而出现增益。分析主要原因是阻抗搭配不当造成的，从这个测试结果也可以间接得出我们的DCS系统属于感性负载。<br /></font></div><div><font color="#000000">　　要根据实际EMI信号源和负载的阻抗属性，按照产生最大失配的原则来选择滤波器的网络结构和参数。但是，在实际选用中，要知道滤波器输出端接负载的确切属性也不是一件容易的事。<br /></font></div><div><font color="#000000">　　以上分析结果只是从滤波器输出负载Zo和实际所接负载Rl分析的，对于源阻抗Rs（电网）和滤波器输入阻抗Zi，测试过程中，分别都是相同的，故不再展开分析。<br /></font></div><div><font color="#000000">　　从以上讨论看出，电源EMI滤波器对EMI信号的抑制能力不仅取决于滤波器在50Ω系统内测得的插入损耗，还取决于滤波网络与EMI信号源和负载的正确端接。所以，在选用滤波器时，要特别注意EMI滤波器上标牌内容，看其是否准确标出滤波网络的参数和网络结构。显然，那种既不提供网络参数，又没有给出网络结构的EMI滤波器，给正确端接和优化应用带来了麻烦。</font></div><p><font color="#000000">　　另外，有的EMI滤波器标牌标明电源和负载端接，这可能是为了某特定电子设备所设置，没有普遍意义，最多也只能是制造厂商的建议端接方法之一。应用EMI滤波器，要具体分析EMI滤波器的网络结构和接入电路的等效阻抗，按照以上阻抗搭配原则进行端接才能正确达到预期目的。</font> </p><p><font color="#000000" size="2"><strong>4&nbsp; 结语</strong></font> </p><p><font color="#000000">　　通过了解EMI干扰信号，在选用电源EMI滤波器时，除了估计干扰源类型——共模为主还是差模为主，以及它的电气安全性能——泄漏电流和耐压外，还要注意以下几点：首先，要考虑使用过程中的环境温度、额定电流和额定电压，它直接影响到滤波器的滤波性能；其次，滤波器的插入损耗是选择滤波器必须考虑的问题；再者，要使电源EMI滤波器实现对EMI信号的最佳抑制，必须根据它要接入负载的阻抗，来选取电源EMI滤波器的网络结构和参数，以产生最大可能的失配损耗；最后，为了实现设备和系统的电磁兼容性，工程技术人员在着手进行设备或系统设计的初期，就要周密考虑，正确选择，用好电源EMI滤波器。</font></p>

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