電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路,又名“電源EMI濾波器”,或是“EMI電源濾波器”,一種無源雙向網絡,它的一端是電源,另一端是負載。電源濾波器的原理就是一種——阻抗適配網絡:電源濾波器輸入、輸出側與電源和負載側的阻抗適配越大,對電磁干擾的衰減就越有效。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除,得到一個特定頻率的電源信號,或消除一個特定頻率后的電源信號。
電源濾波器是一種無源雙向網絡,它的一端是電源,另一端是負載。電源濾波器的原理就是一種——阻抗適配網絡:電源濾波器輸入、輸出側與電源和負載側的阻抗適配越大,對電磁干擾的衰減就越有效。
電源濾波器內部電路
電源濾波器型號分類
電源濾波器的作用就是減少電源干擾,而電源干擾可以分為兩類:普通模式和共通模式。普通模式是兩組輸入電源線之間的雜訊,這種雜訊通常是在關機和開機時產生。而共通模式是指因為器材接地不良,又或是廣播無線電及冰箱馬達電磁、日光節能燈鎮流器、洗衣機、風扇可控硅調速等引發的干擾!
濾波器的種類很多,分類方法也不同。
1.從功能上分;低、帶、高、帶阻。
2.從實現方法上分:FIR、IIR
3.從設計方法上來分:Chebyshev(切比雪夫),Butterworth(巴特沃斯)
4.從處理信號分:經典濾波器、現代濾波器
等等。
濾波器與漏電流
電網濾波器漏電流定義為:在額定交流電壓下濾波器外殼到交流進線任應一端的電流,如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的,則漏電流的值主要取決于共模電容CY的漏電流,即主要取決于CY的容量。由于濾波器漏電流的大小,設計到人身安全,國際上各國對插都有嚴格的標準規定。對于是20V/50Hz交流電網供電,一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。
濾波器與試驗電壓
對于交流電網噪聲濾波器,試驗電壓分為兩種:一種是加在交流進線兩端,即線—線試驗電壓。若電感線圈及引線是良好的,它取決于電容器CX的耐壓。另一種是加在交流進線任一端與機殼地之間,即線—地試驗電壓。它取決于CX的耐壓。
漏電流和試驗電壓對是噪聲濾波器的安全性能參數,是濾波器中電感線圈、絕緣和電容器CX、CY安全性能的具體體現,并且與設備及人身安全緊密相關。因此在電網噪聲濾波器的設計、生產和使用中,都要加以重視,把這些技術參數的認證和檢驗放在首位。
[7] 濾波器的技術參數及正確使用
(1)插入損耗是噪聲濾波器的重要技術參數之一,在設計和選用時應予主要考慮。在濾波器的安全常規電氣性能、環境及機械條件都滿足要求時,應盡量選擇插入損耗值大些。
插入損耗的定義如圖3所示,當沒接濾波器時,信號源輸出電壓為V點,當濾波器接入后,在濾波器的輸出端測得信號源的電壓為V2。若信號源輸出阻抗與接收機輸入阻抗相等,都是50Ω,則濾波器的插入損耗為:
IL=20log(V1/V2)
因為電源噪聲濾波器能衰減共模噪聲和差模噪聲,所以它即有共模插入損耗,和差模插入損耗。
但在實際選用濾波器時,應注意產品手冊給出的插入損耗曲線,都是按照標準規定,在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測得的。因為實際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內是不是50Ω,所以它對EMI信號的衰減,并不等于產品手冊中給出的插入損耗值。特別當使用安裝不當時,還會遠遠小于標準給定的插入損耗值。
(2)電源噪聲濾波器是一種具有互易性的無源網絡。在實際應用中為使它有效地抑制噪聲應合理配接。按圖4所示組合來選擇濾波器的網絡結構和參考,才能得到較好的EMI抑制效果。
當濾波器的輸出阻抗與負載阻抗不相等時,在此端口上會產生反射,兩個阻抗相差越大,端口產生的反射也越大。當濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時,則EMI信號將在其輸入和輸出端產生反射。這時電源濾波器對電磁干擾噪聲的衰減,就與濾波器固有的插入損耗和反射損耗有關,可利用這點更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實際設計和選擇使用EMI濾波器時,要注意濾波器阻抗的正確連接,以造成盡可能大的反射,使濾波器在很寬的頻率范圍內造成較大的阻抗失配,從而得到更好的電磁干擾抑制性能。
(3)在電源濾波器的實際應用中,要求其外殼與系統地之間有良好的電氣連接,且應使地線盡可能短,因為過長的接地線會加大接地電阻和電感,而嚴重削減濾波器的共模抑制能力,同時也會產生公共接地阻抗耦合的問題。如圖5所示,接地線過長,則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也會過大,負載上電壓為:
Vo=Vz+Vg=Vz+(Ii-Io)Zg --(2)
式中:Ii為濾波器交流輸入電路的噪聲電流。
Io為濾波器輸出電路的噪聲電流。
開關電源EMI濾波器的正確選擇與使用
舉例說明:
德國 VDE0565.2 高壓測試(AC)P,N→E 1.5KV/50Hz 1分鐘
瑞士 SEV1055 高壓測試(AC)P,N→E 2?Un+1.5KV/50Hz 1分鐘
如最大工作電壓Un=250V(AC),則2?Un+1.5KV=2KV
美國 UL1283 高壓測試(AC)P,N→E 1KV/60Hz 1分鐘
可見,共模電容Cy的耐壓測試條件(瑞士)SEV1055比(美)UL1283高出一倍。
德國 VDE0565.1 高壓測試(DC)P→N 4.5VnKV 1分鐘
如最大工作電壓Vn=250V(DC)則
4.3?Vn=4.3×0.250×2根號2=3.040KV 1分鐘
瑞士 SEV1055 高壓測試(DC) P→N 4.3VnKV 1分鐘
美國 UL1283 高壓測試(DC) P→N 1.414KV 1分鐘
可見,差電模電容Cx的耐壓測試條件,瑞士也比美國高出一倍左右。
這里要說明的是
a. P→N耐壓測試采用直流電壓的原因是因為Cx容量較大。如采用交流測試,則耐壓測試儀要求電流容量大,造成成本高,體積大。采用直流電壓測試就不存在這種問題。但要將交流工作電壓換成等效的直流工作電壓。如最大交流工作電壓250V(AC)=250×2根號2=707V(DC)直流工作電壓。所示UL1283安全規范1414V(DC)=2?Vn。
b. 國際著名濾波器專業廠說明書中耐壓測試條件
美國 Corcom公司 P,N→E 2250V(DC) 1分鐘
P→N 1450V(DC) 1分鐘
瑞士 Schaffner公司P,N→E 2KV(AC) 1分鐘
P→N 不測 1分鐘
國內濾波器專業廠一般參考德國VDE安規或參考美國UL安規。
3.2 泄漏電流與安全
任何典型濾波器電路的共模電容Cy都有一端接金屬機殼。從分壓角度看,濾波器金屬外殼都帶有1/2額定工作電壓,如工作220V(AC),那么外殼帶有110V(AC)電壓。因此,從安全角度出發,濾波器通過Cy到地端的泄漏電流要盡可能的小,否則將危及人身安全。圖12描述了一路泄漏電流通過人體構成大地回路的情況(圖12中E表示濾波器的接地點,FG表示機架的接地點)。對地電容應為C1和雜散電容之和。實際上,通過人體的泄漏電流是兩路,所以濾波器泄漏電流應為一路泄漏電流的兩倍。設備中使用的濾波器愈多,泄漏電流也愈大。因此,千萬要加以注意。
同樣,國際上泄漏電流的安全規范,各主要工業國家也有所區別。
美國
UL478
UL1283
5mA,120V,60Hz; 0.5~3.5mA,120V,60Hz
加拿大
C22.2 No.1
5mA,120V,60Hz
瑞士
SEV 1054-1
IEC 335-1
0.75mA,250V,50Hz
德國
VDE 0804
3.5mA,250V,50Hz
這里要說明的是:
a. 泄漏電流直接和電網電壓、電網頻率成正比。因此,對于400Hz電網頻率要特別注意,否則在相同電網電壓的情況下,同一濾波器的泄漏電流要增加8倍(對于50Hz),很可能不符合安規要求。
b. 在檢驗濾波器泄漏電流時,一定要采用符合國際規范的測量電路。測量時,濾波器金屬外殼不能接地,一定要懸浮。
c. 三相濾波器的泄漏電流應是各相泄漏電流之和。
4 正確安裝方法
a. 為了濾波器的安全可靠工作(散熱和濾波效果),除濾波器一定要安裝在設備的機架或機殼上外,濾波器的接地點應和設備機殼的接地點取得一致,并盡量縮短濾波器的接地線。
若接地點不在一處,那么濾波器的泄漏電流和噪聲電流在流經兩接地點的途徑時,會將噪聲引入設備內的其他部分。
其次,濾波器的接地線會引入感抗,它能導致濾波器高頻衰減特性的變壞。所以,金屬外殼的濾波器要直接和設備機殼連接。如外殼噴過漆,則必須刮去漆皮;若金屬外殼的濾波器不能直接接地或使用塑封外殼濾波器時,它與設備機殼的接地線應可能的短。
b. 濾波器要安裝在設備電源線輸入端,連線要盡量短;設備內部電源要安裝在濾波器的輸出端。若濾波器在設備內的輸入線長了,在高頻端輸入線就會將引入的傳導干擾耦合給其他部分(參見圖15)。若設備內部電源安裝在濾波器的輸入端,由于連線過長,也會導致同樣的結果。
c. 確保濾波器輸入線和輸出線分離
若濾波器輸入、輸入線捆扎在一起或相互安裝過近,那么由于它們之間的耦合,可能使濾波器的高頻衰減降低。若輸入、輸出線必須接近,那么都必須采用雙絞線或屏蔽線。
d. 要將噪聲濾波器正確地連接到設備內部的每一單元。
若帶有單獨電源的若干單元安裝在一個機殼內,那么必須把每一個單元視為設備的獨立部分。每一單元必須連接各自的噪聲濾波器,否則在機殼內,這些單元中的每一單元的噪聲都會傳導給其他單元。
電源濾波器的基本原理
電源濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構成,它允許直流或50Hz電流通過,對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種,因此電源濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。
電源濾波器的主要指標
當我們選用電源濾波器時,應主要考慮三個方面的指標;首先是電壓/電流,其次是插入損耗,最后是結構尺寸。由于濾波器內部一般是經過灌封處理的,因此環境特性不是主要問題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對電源濾波器的環境特性有一定的影響。
a)電壓、電流對使用效果的影響
電源有交流直流之分,與此相對應,許多廠家的電源濾波器也分為交流和直流兩種。從原理上講,交流電源濾波器既可用在交流電源上,也可在直流電源上使用;但直流電源濾波器不能用在交流的場合,這主要因為直流濾波器中的電容器的耐壓較低,并且有可能其交流損耗較大,導致過熱。即使直流濾波器耐壓沒有問題,由于直流濾波器中使用了容量較大的共模濾波電容器,如果在交流的場合會產生漏電流超標的問題。因此,直流電源濾波器絕對不能用在交流的場合。交流濾波器用在直流場合,從安全的角度看沒有問題,但要付出成本和體積的代價;在樣機階段,如果手頭正好有交流濾波器,可以代替直流濾波器。
當電源濾波器的工作電流超過額定電流時,不僅會造成濾波器過熱,而且會導致濾波器的低頻濾波性能降低。這是因為濾波器中的電感在較大電流的情況下,磁芯會發生飽和現象,使實際電感量減小。因此,確定濾波器的額定工作電流時,要以設備的最大工作電流為準,確保濾波器在最大電流狀態下具有良好的性能,否則當干擾在最大工作電流狀態下出現時,設備會受到干擾或傳導發射超標。
在確定濾波器的額定電流時,要留有一定的余量;特別是人們習慣上對交流電稱“有效值”,而不是交流電的“峰值”,留有一定余量是非常有必要的。一般濾波器的額定電流值應取實際電流值的1.5倍。
b) 插入損耗對使用效果的影響:
從抑制干擾的角度考慮,插入損耗是最重要的指標。插入損耗分為差模插入損耗和共模插入損耗。
選用電源濾波器是怎樣確定所需要的插入損耗
首先在設備的電源入口處不安裝濾波器,對設備進行傳導發射和傳導敏感度的測量,并與要滿足的標準進行比較,看兩者之間相差多少分貝,濾波器的作用是彌補上這個差距。以抑制設備的傳導發射為例,給出了確定濾波器插入損耗的過程。首先將設備的傳導發射值最大包絡線(a)與標準給出的限制值線(b)相比較,計算其差值得到需要的插入損耗值(c)。由于電源濾波器是低通濾波器將插入損耗線(c)變換為低通濾波器插入損耗的形式(d),(d)就是濾波器需要的插入損耗值。
注意: (d)并不是低頻濾波器的特性,而是一個帶阻濾波器的特性,這是考慮到實際濾波器的非理想性(見下一節)。
但如果從廠家的產品樣本上選擇插入損耗值滿足(d)的濾波器,十有八九會失敗。因為廠家產品樣本上的數據是在濾波器兩端阻抗為50Ω的條件下測得的,而實際使用條件并不是這樣。因此在實際使用條件下,濾波器的插入損耗會有所降低。為了保險起見,在從產品樣本中選擇濾波器時,應加20dB的余量,這就得到了(e)。從樣本上選擇濾波器,其插入損耗應滿足(e)的要求。
實際電源濾波器與理想濾波器的差距
理想的電源濾波器是低通濾波器,但實際的電源濾波器通常是帶阻濾波器。造成這種差別的原因是電容器和電感器的非理想性。
電容器的引線是有電感的,而電感線圈上又存在著寄生電容,盡管這些電感、電容很小,但當頻率較高時,它們的影響是不能忽略的。因此由實際電感、電容器構成的低通濾波器電路在頻率較高時,就變成了一個帶阻濾波器電路。
此外,高頻時器件之間的耦合也是造成濾波器在高頻區間插入損耗減小的一個原因。從圖可以看到,器件之間的距離對濾波器的高頻性能有很大的影響。這種影響在1MHz時就已經很明顯了。
因此,即使濾波器的電路結構完全相同,由于器件的特性不同、器件的安裝方式的不同、內部結構的不同,它們的高頻性能會差很多。濾波器的電路結構僅決定了濾波器的低頻特性。要想提高濾波器的高頻性能,生產時需要從許多方面注意制作工藝,如選用電感小的電容器、制作寄生電容小的電感、焊接時電容器的引線盡量短、在內部采取適當的隔離等。
電源濾波器高頻插入損耗的重要性
許多人認為,既然傳導發射極限值的頻率上限30MHz,那么就沒有必要對濾波器的高頻衰減提出要求。這是一個誤解,也正是存在這種錯誤的概念讓許多人在使設備滿足電磁兼容標準的過程中走了很長彎路,浪費了大量的時間和經費。
由于設備上的電纜是高效的輻射天線,當電纜上有高頻傳導電流時,會產生強烈的輻射,使設備不能滿足輻射發射極限值的要求。因此,當電源線上有高頻干擾電流時,同樣也會產生輻射,使設備的輻射發射超標。對于一個沒有電磁兼容經驗的人來說,這個問題是很難發現的;因為當他所開發的設備輻射發射超標時,它會從機箱、信號電纜等環節檢查(這是許多教科書和培訓班中所介紹的),而根本想不到會是電源線的問題。
特別是設備的電源線傳導發射已經滿足了標準要求時,它絕想不到應再次檢查電源線是否有問題,所以,電源濾波器的高頻特性是十分重要的。
特別提示:當設備的輻射發射不合格時,別忘記檢查電源線的共模傳導發射,很多場合輻射發射的超標時由于電源線上的共模電流造成的。
電源濾波器如何選型
選電源濾波器的目的是抑制電磁噪聲,功能就是通過在電源線中接入電源濾波器,得到一個特定頻率的電源信號,或消除一個特定頻率后的電源信號。在使用的時候我們就需要了解電源濾波器方面的知識,這樣可以防止不必要的損失,而在使用的時候我們還需要了解如何選擇電源濾波器。
工具/原料
電源濾波器
選額定電壓
1 額定電壓是電源EMI濾波器用在指定電源頻率時的工作電壓,也是濾波器最高允許的電壓值。如用在50Hz單相電源的濾波器,額定電壓為250V;
2用在50Hz三相電源的濾波器,額定電壓為440V.若輸入濾波器的電壓過高,會使內部電容器損壞。
END
2.額定電流
1 額定電流(Ir)是在額定電壓和指定環境溫度條件下所允許的最大連續工作電流。隨著環境溫度的升高,或由于電感導線的銅損,磁芯損耗以及周圍環境溫度等原因導致工作溫度高于室溫,這時候就難以確保插入損耗的性能。我們應該根據實際可能的最大工作電流和工作環境溫度來選擇濾波器的額定電流。
END
3.插入損耗
1插入損耗定義 插入損耗是EMI電源濾波器最重要的技術參數之一,設計人員和工程應用人員考慮的中心問題就是:在保證濾波器安全、環境、機械和可靠性能滿足有關標準要求的前提下,實現盡可能高的插入損耗。 濾波器的插入損耗是頻率的函數,用dB(分貝)表示。電路未接濾波器時,信號源在接受電路端電壓(功率)為U( P),接入濾波器后在接受端輸入電壓(功率)為U( P) ,定義插入功耗I.L(InsertionLoss)可以用下列方程推導出來: 假設實際負載阻抗在濾波器插入前后保持不變,故1.1式的各功率可以由其相應的負載電壓和阻抗的表達式來代替: 方程中所表示的插入損耗,需要在任何頻率下通過取下和插入濾波器來進行測量。
2共模損耗與差模損耗 EMI電源濾波器的插入損耗包括共模(表示為CM)插入損耗和差模(表示為DM)插入損耗。關于它們的具體測試方法,在CISPR第17號出版物中有過說明,這里就不再說明。
END
外型尺寸的選擇
選型前也要注意外形尺寸和安裝孔距 。這樣可以避免采購回來的濾波器無法安裝。
2連接方式的選擇,濾波器基本上有引線連接 ,銅螺桿連接(注意別買到鐵的 ),PCB板插針濾波器,IEC 插座濾波器,焊片連接 銅排連接
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