2.3 电源线滤波器

电源线滤波器安装在电源线与电子设备之间,用于抑制电能传输中寄生的电磁干扰,对提高设备的可靠性有重要作用。

（1）电源线滤波器的结构

常用的电源线滤波器是由无源集中参数（电感、电容和电阻）构成的单级线路,如图2.3所示。

图中电容CX位于相线与中线之间,用于衰减差模干扰,故俗称抗差模电容,其电压额定值与所用电源有关,对220V交流电源来说,常用250VAC的CBB电容。CX的典型值为几十至几百nF之间。匝数相同的L1和L2同绕在一个磁芯上,按图示同名端标注,当交流电流通过时,回路中的磁通相互抵消,不会引起磁芯饱和。但对共模电流则呈现大的感抗值,可取得大的滤波效果。鉴于图中电感的特殊作用,被称为共模电感。共模电感的电感量与通过电流的大小有关（电流小,线径细,故匝数可多些。反之亦反）,典型值在几百nH至几mH之间。位于相线及中线的对地电容Cy,用来衰减共模干扰,故称为抗共模电容。考虑到电气设备要做电源输入端对外壳的工频耐压及工频泄漏电流试验,Cy的容量不宜太大,一般取1nF至4.7nF;而耐压选3～6kVDC。电阻R用来消除可能出现在滤波器上的静电积累,在滤波器制作时不是必须的。

（2）滤波器的测试4SK安规与电磁兼容网

描述滤波器性能的主要参数是插入损耗。制造商按照CISPR17规定的方法进行测试。目前多用源阻抗为50Ω,负载阻抗也为50Ω的测试系统进行测试,所以滤波器手册上给的特性参数实际上是在特定条件下测得的。

（3）滤波器的安装

滤波器对电磁干扰的抑制作用不仅取决于它的设计和实际工作条件,而且还取决于滤波器的安装情况。

首先,滤波器外壳与设备的金属机壳要有可靠接触,接触电阻增大会使滤波效果变差。图2.4可说明这一点。其次,设备的金属外壳要接大地,这不仅出于人身安全的考虑,防止滤波器泄漏电流对人体造成危害,同时也是出于电磁兼容性的考虑,提高设备的抗干扰能力。

此外,滤波器的引线安装位置也很重要,必须让滤波器的输入和输出线路之间不存在耦合,否则会导致滤波器滤波性能下降。最好的办法是,电源线不直接进入设备机箱,而是经过滤波之后才进入（如使用带电源插座的滤波器）,利用机壳的自然屏蔽,把电源线干扰排除在设备之外。

（4）滤波器的实际滤波效果
经常有人抱怨,说装置使用滤波器后,效果并不理想。究其原因,除了安装和使用上的不规范外,更重要的可能是滤波器与负载阻抗之间的严重失配（负载阻抗与干扰源阻抗都不是50Ω）,导致滤波性能大大下降,使用者决不要掉以轻心。

（5）提高滤波器性能的一些措施
 ①使用带地线电感的滤波器。滤波器虽能抑制相线与中线上的干扰,但对地线上的干扰无能为力,因为地线上的干扰照样可以进入设备。为减少这种干扰,可在图2.5中的E和E′间加一个滤波电感LE。这个电感可为共模干扰提供额外衰减。此时,设备机壳要接大地。
②采用多级滤波器。单级滤波器结构简单、价格低廉,但与电网及负载阻抗严重失配,对滤波性能有很大影响。如能采用多级（如三级）滤波器,则在各种情况下都能取得很好的滤波效果,特别是低频段的特性。当然这是以价格与尺寸为代价的。
③在有电压浪涌下使用的滤波器。普通滤波器对于浪涌的抑制能力很差,特别是对于干扰的前沿与脉宽都较大的情况效果就更差。这可以用浪涌波的谐波频率较低;滤波器与浪涌源的阻抗失配;浪涌波作用下的电感磁芯严重饱和等原因来解释。为此,有些滤波器制造商把对浪涌有很好吸收作用的压敏电阻、气体放电管等也设计到滤波器中,一旦浪涌电压超出吸收器件的门槛时,吸收器件便发挥作用。在明白这一道理后,设计人员也可将滤波器与吸收器件组合使用。
④新型软磁材料在抑制低频共模噪声中的使用。目前滤波器的低频特性很差,一方面是受到体积、重量与性价比的限制,不能在普通设备中使用高档滤波器;另一方面是铁氧体磁芯的动态磁导率不够高,在低频时不能产生足够大的感抗。80年代时,将非晶态磁芯用到滤波器中使滤波器在低频段的插入损耗有很大提高。非晶态的优点是：

●有高的饱和磁感应值Bs,可使磁芯在强脉冲电流下仍不饱和,而继续保持高的电感量和插入损耗。
●高的磁导率（特别是在低于1MHz的频段内）使要求同样插入损耗的滤波器体积和重量大大减小。
 ●热稳定性好（居里点高）。

为此有人建议将这类磁芯与铁氧体磁芯组成两级滤波器,各在不同频段内发挥作用,使新滤波器的体积、重量和性价比都得到改进。另外由于在强脉冲电流下不易饱和的特点,还特别适合于制作抑制脉冲性质的传导干扰的滤波器。

⑤加接有耗元件来改进普通滤波器的高频特性。普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的,它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源,所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时,就会有一部分能量被反射回信号源,导致干扰电平的增强。为解决这一弊病,可使用铁氧体磁环或磁珠套在滤波器的进线上,利用磁环或磁珠对高频信号的涡流损耗,把高频成分转化为热损耗。所以磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用,故有时也称之为吸收滤波器。注意,所用的是有耗材料。

（6）滤波器使用中的注意事项
 ①对滤波器的选择,除满足电磁兼容性外,还要注意安全性（要考虑安全认证）。

②在某些情况下,用户喜欢自行搭制简易滤波器,这时要特别注意线路结构。元件的寄生参数,引线的长度等都可能是限制阻带宽度和插入损耗的关键因素。特别是当工作频率提高时,更不容忽视。

③对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器,除了应选用高磁导率的有耗材料外,还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω,因此它在高阻抗电路中的作用并不明显,相反,在低阻抗电路（如功率分配、电源或射频电路）中使用将非常有效。

2.4 隔离变压器

隔离变压器是一种广泛使用的电源线干扰抑制措施。其基本作用是实现电路间的电气隔离,解决由地线环路带来的设备间相互干扰。下面简述普通隔离变压器、带屏蔽的隔离变压器和性能完善的隔离变压器及其抗干扰效果。

（1）普通隔离变压器

这是一种最简单的隔离变压器,在初级与次级间不设屏蔽层。它可解决输入与输出间的电隔离,从而解决公共地的问题。

普通隔离变压器对共模有一定抑制作用,但因绕组间分布电容使它对共模干扰的抑制效果随频率升高而下降。

普通隔离变压器对共模干扰的抑制作用可用初次级间的分布电容和设备对地分布电容之比值来估算。通常初次级间的分布电容为几百pF,设备对地分布电容为几～几十nF,因此共模干扰的衰减值在10～20倍左右,即20～30dB。

（2）带屏蔽层的隔离变压器

对普通隔离变压器共模抑制能力的分析表明,要获得衰减大,关键是要耦合电容小。为此,在变压器初次级间增设屏蔽层,如图2.6所示。屏蔽层对变压器的能量传输无不良影响,但影响绕组间的耦合电容。从图中可看出,要使共模抑制性能好,屏蔽层的良好接地最重要。

图中C1：初级绕组与屏蔽层之间的分布电容

C2：次级绕组与屏蔽层之间的分布电容

ZC1：C1的阻抗ZC2：C2的阻抗

f：干扰的频率ZE：屏蔽层的接地阻抗

Z2：负载的对地阻抗

e1：初级干扰（共模型）电压

e2：次级干扰（共模型）电压
e2=e1[(ZE)/(Zc1)]×[(Z2)/(Zc2)
ZC1=1/2πfC1
ZC2=1/2πfC2

这里：ZC1>ZE,ZC2>Z2故e1>>e2

带屏蔽层的隔离变压器除了能抑制共模干扰外,利用屏蔽层还可以抑制差模干扰,如图2.7所示。具体做法是将变压器屏蔽层接至初级的中线端。对50Hz工频来说,由于初级与屏蔽层构成的容抗很高,故仍通过变压器效应传递到次级,而未被衰减。对频率较高的差模干扰,由于初级与屏蔽层间容抗变小,使这部分干扰经由分布电容及屏蔽层与初级中线端的连线直接返回电网,而不进入次级回路。<

（3）超级隔离变压器

超级隔离变压器是性能较完善的多重屏蔽隔离变压器,对共模与差模干扰都有较强的抑制能力。

双重屏蔽的隔离变压器如图2.8(a)所示,是最简单的多重屏蔽隔离变压器,一个屏蔽层接变压器初级的中线,以降低差模干扰;另一层接大地,以抑制共模干扰。

更完善的多重屏蔽的隔离变压器如图2.8（b）所示,为三重屏蔽的隔离变压器。靠近初级的屏蔽层接初级中线;中间的屏蔽层则与变压器外壳连在一起,再接大地;靠近次级的屏蔽层,接次级的一个端子。

上述三种隔离变压器的干扰抑制特性如图2.9所示。

至此,用已经介绍过的三种器件（瞬变干扰吸收器、电源线滤波器和隔离变压器）可解决IBM公司统计数据中因电源原因造成计算机故障成因的88.5％。