电源滤波器原理及应用

ELECTRONICS QUALITY 71 ·2 0 0 5 第 1 0 期· 认证与电磁兼容卷 Certi f icat ion & EMC 一．概述 随着电子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、计算机与家用 电器的大量涌现和广泛普及，电网 噪声干扰日益严重并形成一种公害。 特别是瞬态噪声干扰，其上升速度 快、持续时间短、电压振幅度高、随 机性强，对微机和数字电路易产生 严重干扰，常使人防不胜防。在这 种情况下，电子产品的电磁兼容性 日益受到重视，抑制电磁骚扰，提 高电子产品的质量，使之符合有关 电磁兼容标准或规范，已成为电子 产品设计者越来越关注的问题。 电源滤波器是针对电源端口电 磁骚扰的特点而设计的。滤波器一 般是由电感、电容、电阻或铁氧体 器件构成的频率选择性二端口网络。 这里说的电源滤波器实际是滤波器 的一种，按照工作原理我们称之为 反射式滤波器。它可以在滤波器阻 带内提供了高的串联阻抗和低的并 联阻抗，使它和噪声源的阻抗和负 载阻抗严重不匹配，从而把不希望 的频率分量发射回噪声源。根据电 源端口的电磁骚扰特点，电源滤波 器一般都设计为低通（高阻）式。作 为双向无源二端口网络，电源滤波 器即可以限制电网中的高频进入设 备，提高设备的抗扰性，也可以阻 止设备产生的高频干扰进入电网， 改善设备的高频电磁发射水平。在 这里，我们主要关注的是后者。 二．电源滤波器的工作原理 要了解电源滤波器的构造原 理，首先需要了解电磁噪声的特 性。任何电源线上高频传导骚扰信 号，均可用差模和共模干扰信号来 描述。差模干扰在两传输导线之间 流动，属于对称性干扰;共模干扰 在传输导线与地（地线、接地机壳） 之间传输，属于非对称性干扰。所 以电源滤波器进行滤波需要从差模 和共模两方面入手。 电源滤波器的典型结构如图1 所示： 图1电源滤波器的典型结构 这种结构对交流和直流电源都 适用。图中C1、C2是差模电容器，一 般称为X电容，电容量宜选为0.01- 2.22μF，C3和C4是共模电容器，一 般称为Y电容，电容量约为几纳法 （nF）到几十纳法。C3和C4的电容量 不宜选得过大，否则容易引起滤波 器甚至机壳漏电的危险。L 为共模 扼流圈，它为同向绕在同一个铁氧 体环上的一对线圈，电感量约为几 毫亨（mH）。对于共模干扰电流，两 个线圈产生的磁场是同方向的，共 模扼流圈表现出较大的阻抗，从而 起到衰减干扰信号的作用;而对于 差模信号（在这里是低频电源电 流），两个线圈产生的磁场抵消，所 以不影响电路的电源传输功能。 在实际运用中电源滤波器并非 是一个理想的低通滤波器。电源滤 波器的实际频率特性是:在低频时 插入损耗很小，可以让电源频率信 号（电流）几乎无衰减的通过。对 于理想低通滤波器，在截止频率以 后随着频率的升高插入损耗应该无 限制的增加。但实际上，插入损耗 升高到一定值后就不再增加，在相 当一段频率范围内维持在该值附近 振荡，而当频率进一步升高时插入 损耗反而随频率下降。产生这种情 况的原因是构成滤波器的电感器件 和电容器件存在分布参数。在选用 滤波器时，了解所选滤波器的截止 频率至关重要。 三．电源滤波器的插入损耗及 测量方法 电源滤波器的主要技术参数 有：额定电压、额定电流、漏电流、 测试电压、绝缘电阻、直流电阻、使 电 源 滤 波 器 原 理 及 应 用 Theory and Application of Power Line Filter 吴　晓 (国家广播电视产品质量监 督检验中心,北京 100015) Wu Xiao (National Testing and Inspection Center for Radio & TV Products, Beijing 100015,China) 摘　要:介绍电源滤波器的原理、测量和安装等，为在抑制电源端口电磁骚扰方面的应用提供 指导。 关键词:电源滤波器; 电磁骚扰（EMI）; 插入损耗; 开关电源 中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1003-0107（2005）10-0071-03 Abstract: Through explaining its principle, measurement, installation, and etc., this article mainly guides to solve the EMI problem on power port by application of a Power Line Filter. Key words: Power Line Fil ter;Electro magnetic interference (EMI);Insertion loss,switch power supply CLC number: TN713 Document code: A Article ID:1003-0107(2005)10-0071-03 E M C E M C Administrator 高亮 ·2 0 0 5 第 1 0 期· 72 认证与电磁兼容卷 Certi f icat ion & EMC ELECTRONICS QUALITY 用温度范围、工作温升、插入损耗、 外形尺寸、重量等。上述参数中最 重要的是插入损耗（常用“I L”来 表示。亦称插入衰减），它是评价电 源滤波器性能优劣的主要指标，通 常用分贝数或频率特性曲线来表 示。它是指滤波器接入线路前后， 测试信号从电源端传到负载端的功 率比或端口电压比。分贝数越大， 说明抑制干扰的能力就越强。 IL=10lg P1/P2(dB) 或 IL=20lg V1/V2(dB) 式中，P1、P2、V1、V2分别表示 滤波器接入前后负载端的功率和电 压。实验室测量一般在50/50Ω系 统下进行。 图2 滤波器插入损耗的测量电路 测量插入损耗的电路如图2所 示。e是（噪声）信号发生器，Z i是 信号源的内部阻抗，ZL是负载阻抗， 一般取50Ω。噪声频率范围可选在 10kHz～30MHz或更高。先在不同频 率下分别测出插入前后负载上的噪 声压降V1、V2，由此可计算出每个典 型频率点的插入损耗值，并可以在 此基础上绘出插入损耗曲线（如图 3所示）。 图3 插入损耗曲线图例 四．电源滤波器的安装 在选定了合适的电源滤波器之 后，如何安装也是十分重要的。电 源滤波器如果安装不好，不但起不 到滤波作用，反而会适得其反。以 下几个方面是应该特别注意的。 1 .位置 电源滤波器应尽量安装在设备 的电源线入口处，避免电源输入线 过长。如果按照图4 将滤波器安装 在设备机壳的中央，造成的后果是 电网上的干扰进入设备后，还没有 经过滤波器，就通过空间耦合到线 路板上，对电路造成干扰；而设备 内部的干扰会直接感应在电源线 上，传出设备，形成二次干扰。 图4 错误安装实例1：位置问题 图5 错误安装实例2:搭接不良 2 .搭接 电源滤波器安装时一定要接 地，即必须与金属机壳搭接良好。 这从电源滤波器的典型结构（图1） 上就能看出，只有当共模电容接地 时，才能够将线路上的共模干扰旁 路。同时为了对高频起到有效的旁 路作用，要求电容的引线越短越 好。常见的搭接不良错误为:直接 将电源滤波器安装在表面有绝缘漆 的机壳上和通过细导线将滤波器的 接地端子接到机壳上。第一种做法 不能保证接地的有效性。第二种做 法，用于接地的这根细导线在高频 时阻抗很大，难以起到对干扰的有 效旁路作用。图5 是搭接不良的典 型安装实例。 图6 是同一滤波器与地搭接良 好与否两种情况下对同一设备电源 端骚扰电压的测量结果对照。由此 可以看出，搭接质量对电源滤波器 的滤波效果的影响是很明显的。 曲线a：搭接不充分 曲线b:搭接良好 图6 电源滤波器与 地搭接良好与否的滤波效果对照 3 .布线 在安装电源滤波器时，要特别 注意它的输入导线与输出导线的间 隔距离应该足够，更不能把它们捆 绑在一起，否则输入线上与输出线 上的骚扰信号很容易互相耦合，这 相当于将滤波器旁路，结果大大降 低滤波器的抑制效果。如实际空间 条件有限，则应考虑使用屏蔽线。 图7 是一个错误布线的实例。 图7错误安装(输入-输出导线无间隔) 图8 理想安装方式 综上所述，电源滤波器的正确 安装方式应该如图8 所示，即把滤 波器的外壳大面积的贴在设备金属 壳的导电表面上，并且最大限度靠 近电源入口(从电源入口到滤波器 E M C E M C ELECTRONICS QUALITY 73 ·2 0 0 5 第 1 0 期· 认证与电磁兼容卷 Certi f icat ion & EMC 的导线要短)，必要时在接触面上 使用电磁密封衬垫，合理利用设备 金属外壳实现隔离(屏蔽)。 五．电源滤波器的应用 目前，开关电源以其功耗小、效 率高、体积小、重量轻、稳压范围宽 等特点，广泛用于计算机及外围设 备、通信设备、自动控制设备、家用 电器等。但是，开关电源同时也是产 生电磁骚扰的重要原因。下面我以开 关电源为例介绍电源滤波器的应用。 1.开关电源产生电磁骚扰的原因 开关电源产生E M I 的因素较 多，其中由基本整流器产生的电流 高次谐波干扰和变压器型功率转换 电路产生的尖峰电压干扰为主要成 分。它们之所以产生于装置内部， 是由于开关电源中的二极管和晶体 管在工作过程中产生的跃变电压和 电流，通过高频变压器、储能电感 线圈和导线以及系统结构、元件布 局等造成传导发射。 基本整流器的整流过程是产生 EMI最主要的原因之一。这是因为 正弦波电流通过整流器后不再是单 一频率的电流，而是变成单向脉动 电源，此电流波形可分解为一直流 分量和一序列频率不同的正弦分 量。实验结果表明，较高的谐波（特 别是高次谐波）电流会沿着输电线 路产生传导干扰和辐射干扰，一方 面使电源线上的电流波形发生畸 变，另一方面还可能通过电源线产 生射频干扰。 变压器型功率转换电路是实现 变压、变频以及完成输出电压调整 的部件。作为开关稳压电源的核心， 它主要由开关管和高频变压器组成。 由它产生的尖峰电压是一种有较大 辐度的窄脉冲，其频带较宽且谐波 成分比较丰富，极易造成电磁骚扰。 2.针对开关电源的滤波器应用 为减小体积、降低成本，开关 电源一般采用简易式单级EMI滤波 器。图9 为一典型的电源滤波器的 基本电路图，它适应于Ⅰ类电气设 备。对Ⅱ类设备，电源滤波器更为 简单，因为没有接地端故可省去共 模电容C3和C4。 图9 所示的电源滤波器为五端 器件，它有两个输入端、两个输出 端和一个接地端，使用时外壳应接 通大地。此电路中的各元件名称和 下转79页 E M C E M C ELECTRONICS QUALITY 79 ·2 0 0 5 第 1 0 期· 认证与电磁兼容卷 Certi f icat ion & EMC ( 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 本期找) Q 博士考考你 L earn in g from Q u ality D octor 多项选择题: 1．一个试验仅有四个互不相容 的结果:A、B、C、D，验证下列 哪组概率满足概率的公理化定 义：（ ） A．P（A）=-1/4 P9（B）=1/16 P（C）=3/8 P（D）=13/16 B．P（A）=-3/4 P9（B）=5/16 P（C）=1/16 P（D）=3/16 C．P（A）=1/4 P9（B）=1/16 P（C）=3/16 P（D）=1/2 D．P（A）=0.35 P9（B）=0.25 P（C）=0.15 P（D）=0.25 E．P（A）=0.2 P9（B）=0.16 P（C）=0.34 P（D）=0.2 提示: 根据概率公理化定义 2．一位顾客选购一件商品。设 事件A表示“选购的是文具类商 品”，事件B表示“选购的是进 口商品”，事件C表示“选购的 是高档商品。”问“选购的是进 口的是进口非高档文具商品” 这一事件如何表示？（ ）。 A．AB∪ B．AB C．（A∪B） D．A（B-C） 提示: 结合事件的运算律及韦 恩图。 3．古典概率的适用条件:（ ）。 A．所涉及的随机现象只有有限 个样本点 B．样本空间有无穷个样本点 C．适用于一切原则上可以重复 进行的随机试验 D．每个样本点出现的可能性相 同 4．设总体X服从正态分布N（μ， σ2），其中μ未知，而σ2已知， X1，X2，X3是取自总体X的一个 简单随机样本，则下列那些是 统计量？（ ） A．X1+X2 B．Min{X1,X2, μ} C．X3+σ 2 D．μ-σ2 5．事件A、B为任意两个事件， 则（ ）成立。 A．（A+B）- B = A B．（A+B）- B A C．（A-B）+ B = A D．（A-B）+ B = A+B 提示:因（A+B）-B=（A+B） =A A，故B成立;又因（A-B） +B=A +B=（A+B）（ +B）=A+B 6．有样本2，3，7，5，4，3， 下列结论正确的是（ ）。 A．样本极差为5 B．样本中位数为6 C．众数为3 D．样本均值为3.5 7．下列研究对象可看作总体的 是（ ）。 A．参加质量工程师考试的人员 B．一批微波炉的使用寿命 C．某厂出口的产品 D．NOKIA手机的年产量 提示:总体的概念要求一定给 出研究对象的数量指标 8．描述样本的中心位置的统计 量：（ ）。 A．样本均值 B．众数 C．样本中众数 D．变异系数 9．参数估计的方法有（ ）。 A．矩法估计 B．极大似然估计 C．最小二乘法 D．归纳法 10．点估计的优劣评价标准是 （ ） A．无偏性 B．有效性 C．一致性 D．误差最小性 作用见第2 节“电源滤波器的工作 原理”，实际参数则已在图中标出。 一般，C1和C2采用薄膜电容器;C3和 C4选用陶瓷电容。C1～C4的耐压值均 不小于630VDC或250VAC。C3和C4也 可并联在输入端，注意同样也应合 理接地。另外，使用时还应该注意 特别共模扼流圈的电流容量，防止 磁通饱和以及线圈过度发热。 图9 开关电源用的电源 滤波器的基本电路图 图1 0 中所展示的是该电源滤 波器的使用效果。曲线a 为一开关 电源未使用电源滤波器时电源端0 . 15MHz～30MHz传导骚扰电压的波 形;曲线b是插入如图9所示滤波器 后的波形，可见其滤波效果是明显 上接73页 的。◆ 参考文献： [1]沙斐，《机电一体化系统的电磁 兼容技术》，北京，中国电力出版社， 1999． 曲线a:整改前 曲线a:使用滤波器前的电源端骚扰电压 曲线b:整改后 曲线b:使用滤波器后的电源端骚扰电压 图10 电源滤波器在开关电源上的应用效果实例