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开关电源EMI滤波电路原理与解决方案
2018-07-06     来源:安规与电磁兼容网    浏览:68    评论:0        
导读:开关电源电路EMI滤波电路原理滤波原理:阻抗失配;作为电感器就是低通(更低的频率甚至直流能通过)高阻(超过一定频率后就隔断住难于通过)(或者是损耗成热消散掉),因此电感器滤波靠的是阻抗Z=(R^2+(2ΠfL)^2)^1/2 。也

开关电源电路—EMI滤波电路原理

滤波原理:阻抗失配;作为电感器就是低通(更低的频率甚至直流能通过)高阻(超过一定频率后就隔断住难于通过)(或者是损耗成热消散掉),因此电感器滤波靠的是阻抗

Z=(R^2+(2ΠfL)^2)^1/2 。

也就是分成两个部分,一个是R涡流损耗,频率越高越大,直接把杂波转换成热消耗掉,这种滤波最干净彻底;一个是2ΠfL 这部分是通过电感量产生的阻挡作用,把其阻挡住。实际都是两者的结合。但是要看你要滤除的杂波的频率,选择合适的阻抗曲线。因为电感器是有截止频率的,超过这个频率就变成容性,也就失去电感器的基本特性了,而这个截止频率和磁性材料的特性和分布电容关系最大,因此要滤波更高的频率的干扰,就需要更低的磁导率,更低的分布电容。因此一般我们滤除几百K以下的共模干扰,一般使用非晶做共模电感器,或者10KHZ以上的高导铁氧体来做,这样主要使用阻抗的WL这一方面的特性,主要发挥阻挡作用。电感器滤波器是通过串联在电路里实现。撒旦谁打死多少次顺风车安顺场。

因此,共模滤波电感器不是电感量越大越好主要看你要滤除的共模干扰的频率范围。先说一下共模电感器滤波原理共模电感器对共模干扰信号的衰减或者说滤除有两个原理,一是靠感抗的阻挡作用,但是到高频电感量没有了,然后靠的是磁心的损耗吸收作用;他们的综合效果是滤波的真实效果。当然在低频段靠的是电感量产生的感抗。同样的电感器磁心材料绕制成的电感器,随着电感量的增加,Z阻抗与频率曲线变化的趋势是随着你绕制的电感

器的电感量的增加,Z 阻抗峰值电时的频率就会下降,也就是说电感量越高所能滤除的共模干扰的频率越低,换句话说对低频共模干扰的滤除效果越好,对高频共模信号的滤除效果越差甚至不起作用。这就是为什么有的滤波器使用两级滤波共模电感器的原因一级是用低磁导率(磁导率7K以下铁氧体材料甚至可以使用1000的NiZn材料) 材料作成共模滤波电感器,滤出几十MHz或更高频段的共模干扰信号,另一级采用高导磁材料(如磁导率10000\15000的铁氧体材料或着非晶体材料)来滤除1MHz以下或者几百kHz的共模干扰信号。因此首先要确认你要滤除共模干扰的频率范围然后再选择合适的滤波电感器材料.

电容的阻抗是Z=-1/2ΠfL 那么也就是频率越高阻抗绝对值越小,那么就是高通低阻,就是频率越高越能通过,所以电容滤波是旁路,也就是采用并联方式,把高频的干扰通过电容旁路给疏导回去。

开关电源产生的共模噪声频率范围从10kHz~50MHz 甚至更高,为了对这些噪声有效的衰减,那么在这个频率范围内,共模电感器就必须提供足够高的阻抗。因此高磁导率的锰锌铁氧体和非晶材料是非常适合的。共模电感器的阻抗Zs 由串联感抗Xs 和串联电阻Rs 两部分组成。

从图中我们可以看出在750kHz 以下,Xs 在Zs 中占主要部分,750kHz 以上Rs 在Zs中占主要部分。对于抑制共模噪声的电感器,需要在一个磁芯上绕制两组电流方向相反的导线,并使用高磁导率的磁芯,如磁导率为5k、7k、10k、12k、15k 材料和非晶磁芯等。

II-22(双极滤波)电路举例说明

L1、L2为差模电感;L3为共模电感;Cx1、Cx2为线间电容;

Cy1、Cy2为对地电容;R为泄放电阻

1.线间电容

线间电容,在滤波电路中,跨接在相线之间,用于滤除差模干扰信号在交流电路中通常选用安规等级为X2的薄膜电容,常用型号如下表。在直流电路中,可根据电路实际工作电压,选用相应额定电压的薄膜电容。(安规电容)

2.对地电容

在交流电路中通常选用安规等级为Y2的瓷片电容,常用型号如下表。在直流电路中,可根据电路实际工作电压,选用相应额定电压的瓷片或薄膜电容

3.泄放电阻

通常采用1MΩ/1W的金属膜电阻,可根据电路中所用电容,选用电阻值(原则:5s内将电容两端的电压降至安全电压36V);当所需电阻小于1MΩ时,通常采用多只并联的方式实现

4. II-22滤波电路的特点

(1)该电路专为军用设备通过电磁兼容GJB151A/152A-CE102传导发射的要求设计;

(2)显著降低开关频率的高次谐波对电源线的干扰,解决使用开关电源、逆变器而产生的EMC和EMI问题;

(3)优良的共模、差模插入损耗性能,极佳的低频滤波性能;

(4)在10k~50MHz频段内,具有优异的抑制干扰的能力;
 

5.II-22滤波器电路元器件参数

该电路以额定电流3A为例,选用元件参数如下:

II-22滤波电路滤波器指标

(1)额定电压:250VAC/400VDC

(2)工作频率:DC~1000Hz

(3)最大漏电流:不大于0.5mA@250V/50Hz

(4)介质耐电压:线—线间,1768VDC,1mA,60s;线—地间,2000VDC,1mA,60s。

(5)插入损耗(50Ω-50Ω插入损耗测试系统)

注:具体解决方案见《EMI解决方案选用指南》
 

开关电源EMC滤波电路解决方案

1.共模电容受漏电流的限制

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严,在医疗设备中,这个电容的容量更小,甚至不用。

共模扼流圈:在普通的滤波器中,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,人为地增加共模扼流圈的漏电感,提高差模电感量(想想怎样能增加漏电感)。共模扼流圈的电感量范围为1mH ~ 数十mH,取决于要滤除的干扰的频率,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(采用前面介绍的一些方法)。

基本电路对干扰的滤波效果很有限,仅用在要求最低的场合。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形滤波;

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(见“搭接”部分关于pi形滤波器接地不良的讨论)

2.电源线滤波器的特性

任何一个电子设备要满足电磁兼容的要求,都要在电源线上使用电源线滤波器.现在市场上电源线滤波器的种类繁多,如何选择滤波器确实是一个头疼的问题.下面介绍一些选择滤波器时要考虑的参数。

插入损耗:对于干扰滤波器而言,这是最重要的指标,由于电源线上既有共模干扰也有差模干扰,因此滤波器的插入损耗也分为共模插入损耗和差模插入损耗.插入损耗越大越好.

高频特性:理想的电源线滤波器应该对交流电频率以外所有频率的信号有较大的衰减,即插入损耗的有效频率范围应覆盖可能存在干扰的整个频率范围.但几乎所有的电源线滤波器手册都仅给出30MHz以下频率范围内的衰减特性.这是因为电磁兼容标准中对传导发射的限制仅到30MHz(军标仅到10MHz),并且大部分滤波器的性能在超过30MHz时开始变差(谁愿意给用户留下不好的印象呢?).但实际中,滤波器的高频特性是十分重要的,后面讨论这个问题.

额定工作电流:这是个概念模糊的定义.因为在厂商的产品说明书上并没有标明电流的定义,是峰值还是有效值.额定工作电流不仅关系到滤波器的发热问题,还影响电感的特性,滤波器中的电感要在峰值条件下不能发生饱和.
 

滤波器的体积:电子产品小型化的要求器件小型化.因此设计人员无一例外地希望滤波器的体积越小越好.滤波器的体积主要由滤波器中的电感决定,而电感的体积取决于额定电流、滤波器的低频滤波特性.体积小的滤波器一定牺牲了电流容量或低频特性.

3.改善滤波器高频特性的方法

为什么要改善电源线滤波器的高频特性: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决不能不管高频.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分,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:滤波器的联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.

差模滤波电容: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)之间的联线尽量短.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,要注意保证实际的电容引线最短.

共模电容:电容的引线要尽量短.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.

4.选择滤波器的方法

由于滤波器会发生插入增益,因此根据厂家提供的数据选择滤波器就有一定的风险.可能从厂家提供的插入损耗数据看滤波器完全符合要求,但是实际效果并不理想.为了避免这种情况的发生.越来越多的人喜欢使用最坏测试条件. 许多厂家也给出这种“最坏条件”下测量的数据共用户参考.

5.电源线滤波器的错误安装1

电源线滤波器虽然从电路结构上看是一个简单的两端口网络,在电路图表示上就是将滤波器串联进需要滤波的电路.但是在实际应用中,滤波器的性能与其安装方式有很大的关系.这是滤波器不同于其它电子器件的一个重点所在.也正是由于许多人没有认识到这一点,才会发生许多本来很简单的电磁兼容问题.这里列举的两个错误是实际工程中经常遇到的.

错误一:滤波器与电源端口之间的联线过长.这是一个常见的错误,之所以说这是个错误,有以下两个原因:

对于抗外界干扰的场合:外面沿电源线传进设备的干扰还没有经过滤波,就已经通过空间耦合的方式干扰到线路板了,造成敏感度的问题.

对于抗防止干扰发射(包括传导发射和辐射发射)的场合:线路板上产生的干扰可以直接耦合到滤波器的外侧,传导到机箱外面,造成超标的电磁发射(包括传导和辐射).

为什么容易发生这个错误:发生这个错误的原因,除了设计人员将滤波器当作一个普通的电路网络来处理以外,一个容易产生误导的客观原因是:设备的电源线输入端一般在设备

后面板,而显示灯、开关等在设备的前面板,这样电源线从后面板进入设备后,往往首先连接到前面板的显示灯、开关上,然后再联到滤波器上.

错误二:滤波器的输入/输出线靠得过近.发生这个错误的原因也是忽视了高频电磁干扰的空间耦合.在布置设备内部联线时,为了美观,将滤波器的输入、输出端扎在一起,结果输入线和输出线之间有较大的分布电容,形成耦合通路,使电磁干扰能量实际将滤波器旁路掉,特别是在高频段,滤波效果变差.

特别提示:处理电磁兼容问题时,要时刻不忘高频电磁干扰是会通过空间传播和耦合的,而且并不一定按照你设计好的电路传播.在设计机箱结构时,有一个注意事项就是:尽量使电源端口远离信号端口.

6.电源线滤波器的错误安装2

滤波器的外壳上都有一个接地端子,这无形中在提醒使用者:滤波器需要接地.因此,在实际工程中,毫无例外地看到滤波器的接地端子上都连着一根接地线.但是,为什么要联这根线,却很少有人知道.

滤波器的接地端子是起什么作用的?:在电源线滤波器的基本电路中,共模滤波电容一端接在被滤波导线上(火线和零线),另一端接到地上.对于滤波器而言,这个地就是滤波器的外壳,而滤波器上的接地端子也就是滤波器的外壳.从滤波器的原理上,我们知道,共模滤波电容的接地端要接到屏蔽机箱或一块大金属板上.所以,这个接地端子就是让你将滤波器连接到机箱或大金属板上的.

接地端子在实际中有用吗?:在关于电容器的讨论中,我们已经看到,即使很短的引线也会对电容的旁路作用产生极大的影响,因此在制作电磁干扰滤波器时,要想尽一切办法缩短电容引线(甚至使用三端电容或穿心电容).滤波器通过这个接地端子接地,相当于延长了共模滤波电容的引线长度.实际情况表明,这些接地线的长度早已大大超过了可以容忍的程度.因此,这些接地端子通常是没有用的(除非用很短、很粗的接地线).相反,还有不好的作用,这就是误导你通过它用一根长导线接地.

正确的接地方式:滤波器的金属外壳一定要大面积地贴在金属机箱的导电表面上.

7.滤波器的正确安装

滤波器的输入和输出分别在机箱金属面板的两侧,直接安装在金属面板上,使接触阻抗最小,并且利用机箱的金属面板将滤波器的输入端和输出端隔离开,防止高频时的耦合.滤波器与机箱面板之间最好安装电磁密封衬垫(在有些应用中,电磁密封衬垫是必须的,否则接触缝隙会产生泄漏).

使用这种安装方式时,滤波器的滤波效果主要取决于滤波器本身的性能,当滤波器本身的性能较差(主要指高频性能),不值得用这种安装方式(因为并不能提高滤波器的滤波效果).

军用设备中经常使用这种安装方式,否则可能不能满足辐射发射的限制.

民用设备,虽然电磁兼容标准的要求较松,但是,有些场合对射频泄漏的限制很严格(例如与高灵敏度接收机一起工作的设备),也要采用这种安装方式.

TEMPEST设备毫无例外地采用这种滤波方式,因为在这个应用场合,需要滤波的有效频率达到1GHz.这里使用的滤波器内用穿心电容做共模滤波电容,并有良好的内部隔离措施.

许多产品为了降低成本,将滤波器直接安装在线路板上.这种方法从直接成本上看有些好处,但是,实际的费效比并不高.因为高频干扰会直接感应到滤波电路上的任何一个部位,使滤波器失效.因此,这种方式往往仅适合于干扰频率很低的场合.

如果设备使用了这种滤波方式(有些电源上就安装了滤波电路),一种补救措施是:在电源线入口处安装一只共模滤波器,这个滤波器可以仅对共模干扰有抑制作用.因为,空间感应到

导线的上的干扰电压都是共模形式.电路可以有一个共模扼流圈、两只共模滤波电容构成.如果用穿心电容,可以获得非常理想的滤波效果.但要注意,这里的共模电容容量与原来的相加,可能导致漏电流超标.

说明:这种将滤波器分成线路板上和端口处两部分的方法具有很高的费效比,在对成本控制很严,而对干扰抑制要求较高的场合,可以考虑这个方法.
 

 

 
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