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电源线的干扰问题与解决方法

2013-01-255700今日电子

3 电源线干扰滤波器的原理

除了浪涌干扰以外,各种形式的传导干扰问题(传导发射和抗扰度)都可以通过电源线滤波器解决。电源线滤波器的基本结构如图3所示。

图中各个器件的作用如下:

  (1) 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0.1~1μF。
  (2) 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。
  (3) 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。共模扼流圈的电感量范围为1mH至数十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。

  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:
  (1) 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;
  (2) 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;
  (3) 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;
  (4) 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。

  这里所示的基本电路虽然十分简单,但是在实现起来要注意一些问题。其中最重要的问题就是滤波的高频滤波性能问题。理想的滤波器应该在特定频率以上具有较大的衰减,但是实际的滤波器当频率超过30MHz时,衰减开始减小。我们一般在滤波器厂家提供的插入损耗特性曲线上仅能看到30MHz以下的部分,其中一个原因就是滤波器的插入损耗在30MHz以上会减小。当然这个理由是不能公开的,因此,公开的正当理由是:电磁兼容标准中对传导干扰发射的限制最高只到30MHz,没有必要关心滤波器在30MHz以上的情况。实际上,这是站不住脚的。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),但是如果对高频传导发射干扰不能有效的抑制,电源线上的高频传导电流会导致辐射发射,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。提高滤波器的高频特性是十分重要的。改善滤波器的高频特性从以下几个方面着手。

  (1) 内部结构:滤波器的连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。
  (2) 电感:控制电感的寄生电容。必要时,使用多个电感串联的方式。
  (3) 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)之间的连线尽量短。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。
  (4) 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,而其他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 电源线干扰滤波器的正确使用

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。可以说,安装方式对最终的滤波性能起了决定性的作用。这是滤波器不同于其他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。电源线滤波器的正确安装方法是:

  (1) 滤波器靠近机箱上的电源端口,并且保持滤波器与电源端口之间的连线最短,最理想的方法,滤波器上带电源线插座。将滤波器贴装在机箱的电源端口处,使实际的连线长度为零。
  (2) 避免滤波器的输入/输出线靠得过近。否则,输入/输出线之间的电容会导致高频干扰发生空间耦合,从而将滤波器旁路掉。这种效果对滤波器的高频特性影响很大,使滤波器的高频滤波效果变差。
  (3) 滤波器的金属壳要直接贴装在金属机箱上,或塑料机箱内较大的金属板上。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,为什么要连这根线,却很少有人知道。这根地线从滤波器设计者的角度考虑,是让使用者将滤波器接到屏蔽机箱或一块大金属板上的。但是,现代电子设备的干扰频率很高,通过一根导线接地,对于射频干扰阻抗是很大的,根本不能作为一根良好的地线。

 许多产品为了降低成本和体积 ,将滤波器直接安装在线路板上。在使用这种方法时,要注意的问题是,空间的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,空间感应到导线上的干扰电压都是共模形式。电路可以由一个共模扼流圈、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。
 

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