emi滤波器

  电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径,通过电源线,电网的干扰可以传入设备,干扰设备的正常工作,同样设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上,干扰其他设备的正常工作。因此,必须在设备的电源进线处加入EMI滤波器,这种滤波器是低通滤波器,它只允许设备正常工作频率信号进入设备(一般来说就是工频50Hz,60Hz或者是中频400Hz),而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。由此我们知道EMI的作用主要有两个:

  a>抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响;

  b>抑制设备对交流电网的干扰。

设计原理

  插入损耗要尽可能增大,即尽可能增大信号的反射。设电源的输出阻抗和与之端接的滤波器的输人阻抗分别为ZO和ZI,根据信号传输理论,当ZO≠ZI时,在滤波器的输入端口会发生反射,反射系数

  p=(ZO-ZI)/(ZO+ZI)

  显然,ZO与ZI相差越大,p便越大,端口产生的反射越大,EMI信号就越难通过。所以,滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态,使EMI信号产生反射。同理,滤波器输出端口应与负载处于失配状态,使EMI信号产生反射。即滤波器的设什应遵循下列原则:

  源内阻是高阻的,则滤波器输人阻抗就应该是低阻的,反之亦然。

  负载是高阻的,则滤波器输出阻抗就应该是低阻的,反之亦然。

  对于EMI信号,电感是高阻的,电容是低阻的,所以,电源EMI滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则:

  如果源内阻或负载是阻性或感性的,与之端接的滤波器接口就应该是容性的。

  如果源内阻或负载是容性的,与之端接的滤波器接口就应该是感性的。

参数确定方法

  插入损耗要尽可能增大,即尽可能增大信号的反射。设电源的输出阻抗和与之端接的滤波器的输人阻抗分别为ZO和ZI,根据信号传输理论,当ZO≠ZI时,在滤波器的输入端口会发生反射,反射系数p=(ZO-ZI)/(ZO+ZI)显然,ZO与ZI相差越大,p便越大,端口产生的反射越大,EMI信号就越难通过。所以,滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态,使EMI信号产生反射。同理,滤波器输出端口应与负载处于失配状态,使EMI信号产生反射。即滤波器的设什应遵循下列原则:

  源内阻是高阻的,则滤波器输人阻抗就应该是低阻的,反之亦然。

  负载是高阻的,则滤波器输出阻抗就应该是低阻的,反之亦然。

  对于EMI信号,电感是高阻的,电容是低阻的,所以,电源EMI滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则:

  如果源内阻或负载是阻性或感性的,与之端接的滤波器接口就应该是容性的。

  如果源内阻或负载是容性的,与之端接的滤波器接口就应该是感性的。

  a)放电电阻的取值

  在允许的情况下,电阻取值要求越小越好,需要考虑以下情况:

  ,电阻要求采用二级降额使用,保证可靠性。降额系数为0.75 V,0. 6 W。根据欧姆定律可求出n>(0.75Ve)2/(0.6 Pe)。

  第二,经过雷击浪涌后有残压,其瞬时值一般在1000 V取值;其瞬时功率值不能超过额定功率值的4倍,也可求出R>(Vcy)2/(4Pe)。

  两者综合考虑取R值,一般情况下,电阻R的取值为75-200 K 之间。功率为2-3 W。金属膜电阻。

  b)Cx 电容的取值

  在允许的情况下,容量要求越大越好,其值很难确切地估算出来,一般情况下,要求取值在l-5uf之间(对每个电容)。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值,有残压,其瞬时值一般在1000V/s时不损坏,按二级降额的原则选取,取值在275 V,频率特性与电容的取值有关,取值越小,频率特性越好。

  c)Cy 电容的取值

  在允许的情况下,容量要求越大越好,其值很难确切地估算出来,但是不能太大,太大则漏电流较大,一般情况下,要求取值在2 200-4 700 pf 之间(对每个电容)。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值,有残压,其瞬时值一般在1000V/S 时不损坏,按二级降额的原则选取,取值275 V,频率特性与电容的取值有关,取值越小,频率特性越好。Cx 电容和Cy 电容,一般都是通过较小的电容并联来满足容量的要求,这样滤波器的高频特性好。

  d) 电感的取值

  材料的选取原则——从以下几个方面考虑:

  ,磁芯材料的频率范围要宽,要保证频率在1GHz,即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。

  第二,磁导率高,但是在实际中很难满足这一要求,所以,磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体。

  电感量的估算——考虑阻抗和频率。共模扼流圈取值 1.5-5 mH,差模扼流圈取值为 10-50uH。

新一代设想

  开关电源产生的噪声中,在低频段差模噪声分量占主要成份,在高频段共模噪声分量占主要成份,因此采用共模和差模扼流圈是必要的,但如何减少它们的体积是令设计者最头痛的事,最近日本村田公司开发了PLY系列混合扼流圈,这种器件以一种十分巧妙的方式把共模和差模扼流圈紧凑地结合为一体,其中的PLY10系列分别有共模磁路和差模磁路,每个磁路有各自的铁氧体磁芯,其安装尺寸为L×W×H=18×16×17.5mm,额定电流范围为0.5~2.0A,对100VDC的耐压产品可承受40~150W 功率,对200VDC耐压产品可承受75~300W功率,这样宽的使用范围使PLY10系列器件可与大多数开关电源设备兼容。

  PLY系列的事例给大家一个启示,开关电源共、差模噪声的有效抑制还得依靠专门的电感器件――共、差模扼流圈,由简单的片式(电容、电感)元件所组成的EMI滤波器是难以胜任抑制开关电源所产生的共、差模噪声的。

  为此有效抑制开关电源噪声的新一代EMI滤波器应该是由有效的共、差模扼流圈和若干电容组成的相关电路,为了减小体积,这些电感、电容元件应尽可能采用片式元件。

    

  另一可供借鉴的方法是为电源模块厂商生产的系列电源模块,通过MIL-STD-461的CEO3或其它规范研制专用的配套EMI滤波器。如美国Advanced Analog公司为AHE、ATO、ATW和AHF系列DC/DC电源模块配套了AFC461系列EMI滤波器,其额定电压28~40VDC,额定电流4A,100kHz-50MHz插入损耗40dB,工作温度-55~155°C,最小尺寸L×W×H=53.85×28.45×9.65mm 。类似的还有美国的interpoint公司为MHE/MLP、MHL、MTO和MTW系列DC/DC电源模块配套了FMH-461EMI滤波器,其插入损耗指标强调500kHz处最少衰减50dB,200kHz处最少衰减35dB。

  VICOR公司也为其新一代电源模块配置MICRO封装的输入滤波模块FILTMOD,以及MICRO封装的输入保护模块LAM2,前者能有效地消除传导干扰噪声,后者能有效地限制浪涌电流和尖峰干扰,如图2和图3所示。

  建议开关电源EMI滤波器的电路采用图4所示的标准模式电路,它有利于发展成为标准模块并最终集成。在实际运用中如果一级滤波模块抑制不够,可以再串接第二级滤波模块。

    

  在国产产品中,北京中北创新科技发展有限公司研制的实验样品CX系列电路采用图4标准模式,结构采用扼流圈,体积L×W×H=15×15×9.5mm,额定电压50VDC,额定电流0.5~2A。

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