但是,电源电压不是X 类电容承受的唯一电压。X 类电容必须能够承受出现在电源线间的任何电压,即三相电源系统应用中的线(相间)电压以及单相电源系统应用中的相电压。谐振效应产生的过电压也会加在X
电容上。这种效应可以通过施加包括振铃波和混合波电压在内的浪涌电压的方法来模拟。这些浪涌电压包含能够引起滤波器元件谐振的某些特性频率。滤波器元件的谐振效应会导致元件两端所承受的电压升高。在某些情况下,这些电压甚至会超过X 电容所能承受的极限电压。
在图5 给出的实例中滤波器(用两个共模电感的C-L-C-L-C 型滤波器)输出出现谐振。当在滤波器的输入端加1000V 的混合波浪涌电压时,输出端会出现1.6 倍于输入电压的输出电压。这种电压增益在多级滤波器中并不罕见,可能会对滤波器后面的电子部件造成损坏。设备的设计人员在为多级滤波器选择电感和电容的时候会错开其谐振点,或者在滤波器的输出端放置大小合适的MOV 以钳制被放大的输出电压。图6 给出了在混合波浪涌电压作用下被损坏的一个简单EMI 滤波器的例子。图片显示,不论是电源线一侧还是负载一侧的X 电容都被破坏。电源线一侧的X 电容承受了1000V 的浪涌电压。该电压被滤波器放大后在负载端的X 电容两端形成更高的电压(1600V,如图5 所示)。
图6 在浪涌测试中出现谐振过电压的EMI滤波器的实例(顶图)滤波器电源一侧被损坏的X 电容(中图)通过滤波器侧视图可见中间的X 电容没有被损坏(底图)滤波器负载侧被损坏的X 电容
图7 用于EMI 滤波器的印刷电路板上的走线和接地面(滤波器的屏蔽壳)之间发生绝缘击穿的实例
间隔
在EMI 滤波器设计中,电气上的间隔是非常重要的。焊盘之间、器件导线之间、器件外壳之间、接地表面之间保持适当的间隔将会有助于避免滤波器内的击穿。任何表面和边角之间都有可能发生绝缘击穿。通过对器件之间间隔的设计和器件布局上的安排,设计人员可以防止滤波器在最大线电压(在277V 系统中即305V)或诸如高压测试中所规定的安全电压的作用下发生击穿。但我们也会突然发现:浪涌测试中,当浪涌电压低于MOV 的钳制电压时,绝缘击穿也会发生。该情况下,如果浪涌电压没有达到触发MOV 动作的程度,仍然需要防止电击穿在这些电压的作用发生,以避免EMI 滤波器遭受永久性的破坏。用高介电常数的介质可以防止绝缘击穿的发生。图7 给出了一个绝缘击穿的实例,其原因就是印刷电路板和EMI 滤波器屏蔽壳体之间的绝缘间隔不合理。
滤波器设计对设备敏感性的影响
电感饱和在一定的频带上,滤波器通过共模和差模电感的使用提供感性的阻抗。必须通过滤波器的线电流也必定会通过这些电感。必须通过电感的负载电流的大小将影响电感提供感抗的能力。如果负载电流太大,电感会开始出现饱和。电感的饱和会对滤波器在100kHz 以下的性能产生重要的影响。在终端设备稳态工作情况下,滤波器电感可能会处于(或接近)饱和。此时,在设备的全部使用过程中,滤波器的衰减特性都会受到影响,直到负载电流下降到令电感不再工作在饱和状态下为止。在其它情况下,当负载电流发生波动,变化到饱和点的时候,电感会出现暂时的工作饱和。这种类型的电感饱和可能会发生在电压下降或瞬态干扰后的电压恢复过程中,此时刚刚开始恢复的电源电压会导致负载电流的暂时增加,并促使电感进入饱和状态。
图8 滤波器衰减特性随电感负载电流变化的实例
图8 给出了流经电感绕组的仅仅1 安培的负载电流对电源线滤波器衰减特性的影响。当频率大于1kHz 时,该电感的衰减特性受到了严重的影响。
图9 电源滤波器中的两个电感 左边的电感在小电流下出现饱和而右边的电感直到特定的滤波器额定负载电流时也没有出现饱和