本文主要分析滤波器对EMC的影响以及一些常用的电路。

 

1、概述:

 

本文着重对滤波器的特性、原理、用法做个较为详细的阐述。

 

如下如所示为常见的电源滤波器：

 

滤波器是一种二端口网络｡

 

它具有选择频率的特性, 即可以让某些频率顺利通过, 而对其他频率则加以阻拦｡ 

 

电源线滤波器的基本电路如下图所示：

 

滤波器是由电感､ 电容､ 共模电感元件构成的无源低通网络｡ 

 

其中, L1 和L2 可组成共模电感。

 

共模扼流圈的电感量范围为1mH到数十毫亨, 取决于要滤除的干扰的频率, 频率越低, 需要的电感量越大。

 

L3 ､ L4 是由独立的差模抑制电感与Cx （电路结构形如X，所以被称为X电容）一起组合成的差模滤波，X电容一般是uF级别｡ 

 

如果把该滤波器一端接入干扰源, 负载端接被干扰设备, 那么L1 和Cy （电路结构形如Y，所以被称为Y电容）, L2 和Cy 就分别构 成L—E和N—E两对独立端口间的低通滤波器。

 

用来抑制电源线上存在的共模EMI信号, 使其受到衰减, 并被控制到很低的电平上｡ 

 

其中, Cy 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｡

 

以下为某医疗级别电源滤波器的电路原理图：

该图中是没有Y电容的。

 

如下表格为医疗法规GB 9706.1-2020 医用电气设备　第１部分：基本安全和基本性能的通用要求中对患者漏电流的要求容许值：

 

从表格中可以看出，医疗级别的漏电流要求非常低。

 

共模滤波网络结构等效电路如下图所示：

 

图中的滤波器主要由LCM 和Cy 组成｡ 

 

其中共模电感由于种种原因, 如磁环的材料不可能做到绝对均匀, 两个线圈的绕制也不可能完全对称等, 使得L1 和L2 的电感量是不相等的。

 

有时, 人为增加共模扼流圈的漏电感, 以提高差模电感量, 这个在前面的文章《EMC相关器件简介——电感及共模电感》中也有介绍。

 

L1、L2 形成差模电感LDM , 与L3 ､ L4 形成的独立差模抑制电感及Cx 电容器又组成L—N独立端口间的低通滤波器, 用来抑制电源线上存在的差模EMI信号｡

 

如下图所示，为滤波器差模EMI信号滤波网络结构等效电路：

 

 LDM 是差模电感, 包含由共模线圈形成的差模电感和独立的差模抑制电感（L3、L4）。

 

 CLL 是图中的Cx 电容｡ 其数值的选择使滤波网络与负载构成失配状态｡

 

例如, 电源滤波器, 当它被安装在系统中后, 既能有效抑制电子设备外部的干扰信号传入设备, 又能大大衰减设备本身工作时产生的传向电网的骚扰信号｡

 

图中电源线滤波器的基本电路是一个无源网络，它具有互易性｡ 

 

如产品中加装电源滤波器后, 既能有效地抑制电子设备外部的干扰信号传入设备，如EFT/B等瞬态干扰信号。

 

又能大大衰减设备本身工作时产生的传向电网的骚扰信号, 如对开关电源产品的传导骚扰和辐射骚扰。

 

在一般的滤波器中, 共模扼流圈的作用主要是滤除低频共模干扰｡

 

高频时, 由于寄生电容的存在, 共模扼流圈对干扰的抑制作用逐渐减小或效果变得不确定, 主要依靠共模滤波电容（Y电容）｡ 

 

医疗设备由于受到漏电流的限制, 有时不使用共模滤波电容, 这时需提高扼流圈的高频特性｡

 

2、电路分享：

 

滤波器在EMC范畴中如字面意思，通常会用作直流和交流的电源滤波。

 

其基本电路对干扰的滤波效果很有限, 仅用在要求较低的场合｡ 

 

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｡

 

电路一：强化差模滤波方法

 

在滤波电容的右边增加两个差模扼流圈， 同时在差模电感的右边增加一个差模滤波电容，如下图所示：

 

电路二：强化共模滤波法

 

在共模滤波电容右边增加一个共模扼流圈，对共模干扰构成Ｔ形滤波。

 

电路三：强化共模和差模滤波方法

 

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（X电容）。 

 

说明：在一般情况下不使用增加共模滤波电容的方法增强共模滤波效果， 防止接地不良时出现滤波效果更差的问题。

 

电源线滤波器作为满足EMC要求而常用的器件，该如何选择？

 

其中插入损耗对于滤波器而言是最重要的指标｡ 

 

由于电源线上既有共模干扰也有差模干扰, 因此滤波器的插入损耗也分为共模插入损耗和差模插入损耗｡

 

如下为某系列滤波器的共模和差模插入损耗：

 

插入损耗是一个随频率变化而变化的参数，越大越好｡ 

 

几乎所有的电源线滤波器手册都仅给出30MHz以下频率范围内的衰减特性｡如下为某电源滤波器参数：

 

这是因为EMC 标准中对传导发射的限制仅到30MHz (军标仅到10MHz), 并且大部分滤波器的实际性能在超过30MHz时开始变差。

 

但在实际应用中, 滤波器的高频特性是十分重要的｡ 

 

电源线滤波器的高频特性差的主要原因有两个: 

 

一个是内部寄生参数造成的空间耦合。

 

另一个是滤波器件的不理想性｡

 

因此, 改善高频特性的方法也从这两个方面着手：

 

 (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, 以减小空间耦合｡

 

 (2) 滤波器件: 电感要控制寄生电容｡ 必要时, 可使用多个电感串联的方式｡ 差模滤波电容的引线要尽量短, 共模电容的引线也要尽量短｡

来源：电子工程师之家

关键词： 滤波器 电磁兼容