電源雜訊濾波器的基本原理

1 引言
    隨著現代科學技術的飛速發展，電子、電力電子、電氣設備應用越來越廣泛，它們在運行中產生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個空間，形成複雜的電磁環境。複雜的電磁環境要求電子設備及電源具有更高的電磁兼容性。於是抑制電磁干擾的技術也越來越受到重視。接地、屏蔽和濾波是抑制電磁干擾的三大措施，下面主要介紹在電源中使用的EMI濾波器及其基本原理和正確應用方法。

2 電源設備中雜訊濾波器的作用
    電子設備的供電電源，如220V/50Hz交流電網或115V/400Hz交流發電機，都存在各式各樣的EMI雜訊，其中人為的EMI干擾源，如各種雷達、導航、通信等設備的無線電發射信號，會在電源線上和電子設備的連接電纜上感應出電磁干擾信號，電動旋轉機械和點火系統，會在感性負載電路內產生瞬態過程和輻射雜訊干擾；還有自然干擾源，比如雷電放電現象和宇宙中天電干擾雜訊，前者的持續時間短但能量很大，後者的頻率範圍很寬。另外電子電路元器件本身工作時也會產生熱雜訊等。
    這些電磁干擾雜訊，通過輻射和傳導耦合的方式，會影響在此環境中運行的各種電子設備的正常工作。
     另一方面，電子設備在工作時也會產生各種各樣的電磁干擾雜訊。比如數字電路是採用脈衝信號（方波）來表示邏輯關係的，對其脈衝波形進行付里葉分析可知，其諧波頻譜範圍很寬。另外在數字電路中還有多種重複頻率的脈衝串，這些脈衝串包含的諧波更豐富，頻譜更寬，產生的電磁干擾雜訊也更複雜。
     各類穩壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線性穩壓電源中，因整流而形成的單向脈動電流也會引起電磁干擾；開關電源具有體積小，效率高的優點，在現代電子設備中應用越來越廣泛，但是因為它在功率變換時處於開關狀態，本身就是很強的EMI雜訊源，其產生的EMI雜訊既有很寬的頻率範圍，又有很高的強度。這些電磁干擾雜訊也同樣通過輻射和傳導的方式污染電磁環境，從而影響其它電子設備的正常工作。
    對電子設備來說，當EMI雜訊影響到模擬電路時，會使信號傳輸的信噪比變壞，嚴重時會使要傳輸的信號被EMI雜訊所淹沒，而無法進行處理。當EMI雜訊影響到數字電路時，會引起邏輯關係出錯，導致錯誤的結果。
    對於電源設備來說，其內部除了功率變換電路以外，還有驅動電路、控制電路、保護電路、輸入輸出電平檢測電路等，電路相當複雜。這些電路主要由通用或專用集成電路構成，當受電磁干擾而發生誤動作時，會使電源停止工作，導致電子設備無法正常工作。採用電網雜訊濾波器可有效地防止電源因外來電磁雜訊干擾而產生誤動作。
    另外，從電源輸入端進入的EMI雜訊，其一部分可出現在電源的輸出端，它在電源的負載電路中會產生感應電壓，成為電路產生誤動作或干擾電路中傳輸信號的原因。這些問題同樣也可用雜訊濾波器來加以防止。
    在電源設備中採用雜訊濾波器的作用如下：
（1）防止外來電磁雜訊干擾電源設備本身控制電路的工作；
（2）防止外來電磁雜訊干擾電源的負載的工作；
（3）抑制電源設備本身產生的EMI；
（4）抑制由其它設備產生而經過電源傳播的EMI。
    開關電源本身在工作時以及電子設備處於開關工作狀態時，都會在電源設備的輸入端出現終端雜訊，產生輻射及傳導干擾，也會進入交流電網干擾其它的電子設備，所以必須採取有效措施加以抑制。在抑制EMI雜訊的輻射干擾方面，電磁屏蔽是最好的方式。而在抑制EMI雜訊的傳導干擾方面，採用EMI濾波器是很有效的手段，當然應配合良好的接地措施。
    在國際上各個國家都實行了嚴格的電磁雜訊限制規則，如美國有FCC，德國有FTZ，VDE等標準。如電子設備不滿足雜訊限制規則，則產品就不能出售和使用。
    由於上述種種原因，在電源設備中必須要設計使用滿足要求的電網雜訊濾波器。

3 EMI雜訊和濾波器的類型
    在電源設備輸入引線上存在二種EMI雜訊：共模雜訊和差模雜訊，如圖1所示。把在交流輸入引線與地之間存在的EMI雜訊叫作其共模雜訊，它可看作為在交流輸入線上傳輸的電位相等、相位相同的干擾信號，即圖1的電壓V1和V2。而把交流輸入引線之間存在的EMI雜訊叫作差模雜訊，它可看作為在交流輸入線傳輸的相位差180°的干擾信號，即圖1中的電壓V3。共模雜訊是從交流輸入線流入大地的干擾電流，差模雜訊是在交流輸入線之間流動的干擾電流。對任何電源輸入線上的傳導EMI雜訊，都可以用共模和差模雜訊來表示，並且可把這二種EMI雜訊看作獨立的EMI源來分別抑制。
在對電磁干擾雜訊採取抑制措施時，主要應考慮抑制共模雜訊，因為共模雜訊在全頻域特別在高頻域佔主要部分，而在低頻域差模雜訊佔比例較大，所以應根據EMI雜訊的這個特點來選擇適當的EMI濾波器。
 
圖1 電磁干擾信號示意圖
    電源用雜訊濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印製板上安裝電感線圈、電容器等，構成抑制雜訊濾波器。到底採用哪種形式要根據成本、特性、安裝空間等來確定。一體化式成本高，特性較好，安裝靈活；分立式成本較低，但屏蔽不好，可自由分配在印製板上。

4 雜訊濾波器的基本結構
    電源EMI雜訊濾波器是一種無源低通濾波器，它無衰減地將交流電傳輸到電源，而大大衰減隨交流電傳入的EMI雜訊；同時又能有效地抑制電源設備產生的EMI雜訊，阻止它們進入交流電網干擾其它電子設備。
    單相交流電網雜訊濾波器的基本結構如圖2所示。它是由集中參數元件組成的四端無源網路，主要使用的元件是共模電感線圈L1、L2，差模電感L3、L4，以及共模電容CY1、CY2和差模電容器CX。若將此濾波器網路放在電源的輸入端，則L1與CY1及L2與CY2分別構成交流進線上兩對獨立埠之間的低通濾波器，可衰減交流進線上存在的共模干擾雜訊，阻止它們進入電源設備。共模電感線圈用來衰減交流進線上的共模雜訊，其中L1和L2一般是在閉合磁路的鐵氧體磁芯上同向卷繞相同匝數，接入電路后在L1、L2兩個線圈內交流電流產生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通飽和，又使這兩個線圈的電感值在共模狀態下較大，且保持不變。
 
圖2 電源濾波器的基本電路圖
    差模電感線圈L3、L4與差模電容器CX構成交流進線獨立埠間的一個低通濾波器，用來抑制交流進線上的差模干擾雜訊，防止電源設備受其干擾。
    圖2所示的電源雜訊濾波器是無源網路，它具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網與電源之間，相當於這二者的EMI雜訊之間加上一個阻斷屏障，這樣一個簡單的無源濾波器起到了雙向抑制雜訊的作用，從而在各種電子設備中獲得了廣泛應用。

5 雜訊濾波器的主要設計原則
    共模電感線圈使用的磁芯有環形、E形和U形等，材料一般採用鐵氧體，環形磁芯適用於大電流小電感量，它的磁路比E形和U形長，沒有間隙，用較少的圈數可獲得較大的電感量，由於這些特點它具有較佳的頻率特性。而E形磁芯的線圈泄漏磁通小，故當電感漏磁有可能影響其它電路或其它電路與共模電感有磁耦合，而不能獲得所需要的雜訊衰減效果時應考慮採用E形磁芯作成共模電感。
    差模電感線圈一般採用金屬粉壓磁芯，由於粉壓磁芯適用頻率範圍較低，在幾十kHz～幾MHz，其直流重疊特性好，在大電流應用時電感量也不會大幅下降，最適合作為差模電感。
    圖2中，電源雜訊濾波器使用二種電容器，CX、CY1和CY2，它們在濾波器中的作用不同，還有不同的安全等級要求，因此其性能參數直接與濾波器的安全性能有關。
    差模電容CX接在交流電進線兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會疊加交流進線之間存在的各種EMI峰值電壓。所以該電容器的耐壓及耐瞬態峰值電壓的性能要求較高，同時要求該電容器失效后，不能危及後面電路及人身安全。CX電容器的安全等級又分為X1和X2兩類，X1類適用於一般場合，X2類適用於會出現高的雜訊峰值電壓的應用場合。
    共模電容CY接在交流電進線與機殼地之間，要求它們在電氣和機械性能上，應有足夠大的安全余量，萬一它們發生擊穿短路，將使設備機殼帶上危險的交流電，如設備的絕緣或接地保護失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對CY電容器的容量要進行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小於安全規範值。另外還要求其應有足夠的耐壓及耐瞬態高峰值電壓的余量，並且萬一發生電壓擊穿它應處於開路狀態，而不會使設備機殼帶電。
    綜上所述，在設計和選擇電網雜訊濾波器時，因為它們工作在高電壓、大電流、惡劣的電磁干擾環境中，首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對於電感線圈，其磁芯、繞線的材料，絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應予重視。對於電容器，其電容種類、耐壓、安全等級、容量、漏電流等都應優先考慮，特別要求選擇經過國際安全機構安全認證的產品。

6 濾波器的安全性能參數
6.1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一端的電流。如果濾波器的所有埠與外殼之間是完全絕緣的，則漏電流的值，主要取決於共模電容CY的漏電流，即主要取決於CY的容量。由於濾波器漏電流的大小，涉及到人身安全，國際上各國對此都有嚴格的標準規定。對於220V/50Hz交流電網供電，一般要求雜訊濾波器的漏電流小於1mA。
6.2濾波器與試驗電壓
    對於交流電網雜訊濾波器，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絕緣良好的，它主要取決於電容器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。它主要取決於CY的耐壓。
    漏電流和試驗電壓都是雜訊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安全性能的具體表現，並且與設備及人身安全緊密相關。因此在電網雜訊濾波器的設計、生產和使用中，都要特別加以重視，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）插入損耗是雜訊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、環境及機械等條件都滿足要求時，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V1，當濾波器接入后，在濾波器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）(1)
 
圖3 插入損耗的定義
    因為電源雜訊濾波器能衰減共模和差模雜訊，所以它即有共模插入損耗，又有差模插入損耗。
    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範圍內是50Ω，所以它對EMI信號的衰減，並不等於產品手冊中給出的插入損耗值。特別當使用安裝不當時，還會遠遠小於標準給定的插入損耗。
（2）電源雜訊濾波器是一種具有互易性的無源網路。在實際應用中為使它有效地抑制雜訊應合理配接。按圖4所示組合來選擇濾波器的網路結構和參數，才能得到較好的EMI抑制效果。
 
圖4 濾波器網路結構的選擇
    當濾波器的輸出阻抗與負載阻抗不相等時，在此埠上會產生反射，兩個阻抗相差越大，埠產生的反射也越大。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都產生反射。這時電源濾波器對電磁干擾雜訊的衰減，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雜訊。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，以造成儘可能大的反射，使濾波器在很寬的頻率範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，且應使接地線盡量短，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，
 
圖5 公共阻抗耦合的等效電路
    接地線過長，則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過大，負載上電壓為：
V0=VZ＋Vg=VZ＋(Ii－IO)Zg                 (2)
式中：Ii為濾波器交流輸入電路的雜訊電流；
IO為濾波器輸出電路的雜訊電流。
    由式（2）可知，電磁干擾信號經過濾波器衰減后，在輸出端的雜訊電流大大小於輸入端的雜訊電流，即公共接地阻抗引起的壓降(Ii－IO)Zg將很大，在Zg上將產生一個很高的電磁干擾電壓，經過公共接地迴路耦合到濾波器的輸出端，從而大大減弱雜訊濾波器對EMI雜訊的抑制能力。
    減小公共阻抗耦合的最好方法，就是藉助設備的電磁屏蔽，把雜訊濾波器的輸入端與輸出端隔離開，同時濾波器的接地線要盡量短，這樣既把濾波器輸入與輸出端間存在的電磁耦合降到最低程度，又不破壞設備的屏蔽結構對於電磁干擾雜訊的抑制作用。
    理想的電源雜訊濾波器安裝方式如圖6所示。
 
圖6 濾波器的正確安裝方法
（4）綜上所述，電源雜訊濾波器的使用應注意如下幾點：
①濾波器應盡量靠近設備交流電入口處安裝，應使未經過濾波器的交流進線在設備內盡量短；
②濾波器中的電容器引線應儘可能短，以免引線感抗和容抗在較低頻率上產生諧振；
③濾波器接地線上有大的電流流過，會產生電磁輻射，應對濾波器進行良好的屏蔽和接地；
④濾波器的輸入線和輸出線不能捆紮在一起，布線時盡量增大其間距離，以減小它們之間的耦合，可加隔板或屏蔽層。

8 結語
    電磁干擾濾波器的設計和選用，主要依據雜訊干擾特性和系統電磁兼容性的要求，在了解電磁干擾的頻率範圍，估計干擾的大致量級的基礎上進行。首先要了解濾波器的使用環境(使用電壓、負載電流、環境溫濕度、振動衝擊、安裝方式和位置等)，要重點考慮其安全性能參數，因為關係到設備及人身安全。還要使濾波器對EMI雜訊產生最佳的抑制效果。應根據接入電路的要求，以產生最大阻抗不匹配的原則來選擇濾波器的網路結構和參數。為了獲得最佳的電磁雜訊衰減特性，濾波器應該正確地安裝在電子設備上。