干擾電源濾波器設計 淺談干擾電源濾波器設計過程

對于干擾電源濾波器想必大家應該都不陌生，那么關于它你了解多少呢？你知道干擾電源濾波器是怎么設計的嗎？本文主要介紹的是關于干擾電源濾波器的設計過程。

電源濾波器

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。

電源濾波器的目的是在抑制電磁噪聲，噪聲的影響可分為以下二種：

發射（Emissions）：是要將由設備產生，影響電源或其他設備的噪聲降到法規（例如FCC part 15）允許值以下，例如由開關電源產生的噪聲。

抗擾（Immunity）：是要將進入設備的噪聲降低到不會使設備出現異常動作的程度，例如用在廣播電臺發射設備中的儀器。

電源濾波器要抑制的噪聲可分為以下的二種：

共模：在二條（或多條）電源線都相同的噪聲，可視為電源線對地的噪聲。

差模：電源線和電源線之間的噪聲。

同一個電源濾波器對于共模噪聲及差模噪聲的抑制能力會有所不同，一般會用頻率對應抑制量（以分貝表示）的頻譜來說明。

干擾電源濾波器設計

本文以關電源電磁干擾濾波器設計為例，介紹干擾電源濾波器設計的設計過程。

開關電源EM I的產生機理

開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種?，F在按噪聲干擾源來分別說明:

　　EM I濾波器的插入損耗

　　插入損耗是濾波器重要的技術性能參數之一。設計EM I濾波器時考慮的中心問題是，在保證濾波器滿足有關標準要求的前提下，實現盡可能高的插入損耗。

　　EM I濾波器阻抗分析

　　EM I濾波器主要用于抑制進出設備的電磁干擾，具有雙向抑制性。

　　由上文的分析可知，要使EM I濾波器對EM I信號有最佳的衰減效果，則濾波器阻抗應與電源阻抗失配，失配越厲害，實現的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。

　　根據上述的原理，選用EM I濾波器結構應遵循下列原則：

　?。?） EM I濾波器的串聯電感要接到低阻抗源或低阻抗負載;

　?。?） EM I濾波器的并聯電容要接到高阻抗源或高阻抗負載。

　　EM I濾波器的網絡結構研究

　　濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構成。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為：

　?。?）利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極、電源負極高頻干擾電流導入地線（共模） ，或將電源正極高頻干擾電流導入電源負極（差模） ;

　?。?）利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。

　　共模電感工作原理

　　如圖4所示，共模電感是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常使用環形磁芯，具有漏磁小、效率高等特點。當電流在兩個繞組中流過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對電流不起任何阻礙作用。如果共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用

　　實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不再設置獨立的差模電感。

　　共模電感的漏感測量方式如圖5所示，將兩繞組其中一端連接，由另一端測量電感值，此測量到的感值即是共模電感的漏感量。

　　共模電感材料的選擇

　　制作共模電感，選用何種磁芯材料，除了必須注意防止磁芯飽和問題外，還應該考慮到磁芯的恒磁導特性，當電感額定電流較大時，電感量是否減少，減少到什么程度，會不會達到飽和。

　　在繞制共模電感時，一般采用錳- 鋅鐵氧體、鎳- 鋅鐵氧體和微晶磁芯。

　　濾波電路設計

　　本例采用的開關電源參數為： 輸入24V，輸出12V，功率為25W。

　　本濾波電路采用電源模塊前后各加一級的方式。其中共模電容為0. 01μF，差模電容為6800pF，共模電感采用錳- 鋅鐵氧體，每路繞31匝，電感量為3. 7mH。

　　濾波結果

　　在示波器帶寬為20MHz時，測得的濾波前后紋波分別為50mV和5mV。（以上紋波均在80%純阻性負載下測得）

　　干擾電源濾波器設計過程中的接線

　　1、電源濾波器的不能存在電磁耦合路徑

　?、匐娫摧斎刖€過長；

　?、陔娫礊V波器的輸入線和輸出線靠的過近。

　　此兩種都是不正確的安裝方式，問題的本質在于，濾波器的輸入端電線和它的輸出端電線之間存在有明顯的電磁耦合路徑。這樣一來，存在于濾波器某一端的EMI信號會逃脫濾波器對它的抑制，不經過濾波器的衰減而直接耦合到濾波器的另一端去。因此濾波器輸入與輸出先需有效分開。

　　另外，如上述兩種把電源濾波器都是安裝在設備屏蔽的內部，設備內部電路及元件上的EMI信號會因輻射在濾波器的（電源）端引線上生成EMI信號而直接耦合到設備外面去，使設備屏蔽喪失對內部元件和電路產生的EMI輻射的抑制。當然，如果濾波器（電源）上存在有EMI信號，也會因輻射而耦合到設備內部的元件和電路上，從而破壞濾波器和屏蔽對EMI信號的抑制作用。所以起不到效果。

　　2、不能將線纜捆扎在一塊

　　一般來說，在電子設備或系統內安裝電源濾波器時要注意的是，在捆扎設備電纜時，千萬不能把濾波器（電源）端和（負載）端的電線捆扎在一起，因為這無疑加劇了濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合，嚴重破壞了濾波器和設備屏蔽對EMI信號的抑制能力。

　　3、要盡量避免使用長接地線

　　電源濾波器輸出端連接變頻器或電機的接線長度不超過30厘米為宜。

　　因為過長的接地線意味著大大增加接地電感和電阻，它會嚴重破壞濾波器的共模抑制能力。較好方法是，用金屬螺釘與星形彈簧墊圈把濾波器的屏蔽牢牢地固定在設備電源入口處的機殼上。

　　濾波器的正確安裝方法

　　4、電源濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離

　　電源濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離，切忌并行，以免降低濾波器效能。

　　5、電源濾波器外殼與機箱殼必須良好接觸

　　變頻器專用濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好面接觸，并將接地線接好。

　　6、電源濾波器的連接線宜選用雙絞線

　　電源濾波器的輸入、輸出連接線以選用屏蔽雙絞線為佳，它可有效消除部分高頻干擾信號。

　　結語

　　對于干擾電源濾波器設計，本文首先對開關電源EM I的產生進行了闡述，然后重點分析了EM I濾波器的設計原理，尤其是對其中起很重要作用的共模電感進行了詳細的說明，最后在上述理論的指導下，設計了針對某一型號開關電源的EM I濾波電路，并取得了較好的效果。至此關于干擾電源濾波器設計就介紹完了，希望通過本文能對你有所幫助。