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电磁干扰滤波器设计原理

发布时间:2012-11-14

 
电磁干扰对设备工作的影响
有三组代表性的数据描述电源线干扰对于设备工作的影响,分别由美国IBM公司、AT&T公司和美国海军作出:① 美国IBM公司的Allen和Segal在1974年对装在美国、加拿大和墨西哥的49台计算机的故障作了统计和分析,认为造成计算机故障中的电源起因,有49[%]是振荡瞬变,39.5[%]是脉冲干扰,11[%]是电压跌落,另有0.5[%]是电源中断。
② 美国AT&T公司的Goldstenin和Sperenza在1982年对通信设备故障原因进行了分析,认为由电源造成的部分起因中,有87[%]是电压跌落,7.5[%]是脉冲干扰,4.7[%]是电源失效,另有0.8[%]是电压浪涌。
③ 美国海军的Thomas Key汇总了海军系统十年内的计算机事故,认为电压过低是造成计算机故障的首要原因。
以上三组数据的结论大相径庭,其差异可归结为统计对象的不同。但从三组数据还是可以看出一些端倪:因电源问题造成设备故障的主要原因有两个,分别是电压过低和电源中有瞬变干扰(振荡瞬变和脉冲干扰)。
 
在开关电源中,主要的电磁干扰骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt,因而电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带的噪声信号,其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以,传导型电磁环境(EME)的测量,正如很多国际和国家标准所规定,频率范围在0.15~30MHz。设计电磁干扰滤波器,就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。采用上述标准,通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。
 在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适在电力电子装置中。简言之,电磁干扰滤波器设计可以理解为要满足以下规则: 
1)规定规则的阻带频率和阻带衰减;(满足某一特定频率fstop有需要Hstop的衰减);
2)对电网频率低衰减(满足规定的通带频率和通带低衰减);
3)低成本。

1.1 常用低通滤波器模型
 
电磁干扰滤波器通常置于开关电源和电网相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器。如图1所示,噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标(fstop和Hstop)可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现,滤波器传递函数的计算通常在高频下近似,也就是说对于n阶滤波器,忽略所有ωk相关项(当k<n),只取含ωn相关项。表1列出了多种常见的滤波器拓扑及其传递函数。特别要注意的是要考虑输入、输出阻抗不匹配给滤波特点带来的干扰。
  
 电磁干扰滤波器
 
图1 滤波器设计等效电路
 
表1 多种滤波器模型及传递函数

电磁干扰滤波器
1.2 电磁干扰滤波器等效电路
 
传导型电磁干扰噪声包含共模(CM)噪声和差模(DM)噪声两种。共模噪声存在于所有交流相线(L、N)和共模地(E)之间,其产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄漏电流以及电磁场耦合等;差模噪声存在于交流相线(L、N)之间,产生来源是脉动电流,开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复特点。这两种模式的传导噪声来源不同,传导途径也不同,因而共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。
 
显然,针对两种不同模式的传导噪声,将其分离并分别测量出实际水平是十分必要的,这将有利于确定那种模式的噪声占主要部分,并相应地体现在对应的滤波器设计过程中,实现参数优化。在文献[6]和[7]中,提供了两种在区分共模和差模噪声的噪声分离器,他们能有选购地对共模或差模噪声至少衰减50dB,因而可有效地测量出共模和差模成分。分离器的原理和使用超出了本文的讨论范围,详细内容可见参考文献[6]和[7]。
 
以说说常用的滤波器拓扑〔图2(a)〕为例,分别对共模、差模噪声滤波器等效电路进行分析。图2(b)及图2(c)分别代表滤波器共模衰减和差模衰减等效电路。分析电路可知,Cx1和Cx2只在抑制差模噪声,理想的共模扼流电感LC只在抑制共模噪声。但是,由于实际的LC绕制的不对称,在两组LC之间存在有漏感Lg也可在抑制差模噪声。Cy即可抑制共模干扰、又可抑制差模噪声,只是由于差模抑制电容Cx2远大于Cy,Cy对差模抑制可忽略不计。同样,LD既可抑制共模干扰、又可抑制差模干扰,但LD远小于LC,因而对共模噪声抑制作用也相对很小。 
 电磁干扰滤波器

图2 说说常用的滤波器拓扑

电磁干扰滤波器的构造原理

电磁干扰滤波器

电磁干扰滤波器
 
电磁干扰滤波器
电磁干扰滤波器是具有互异性的,即把负载接在电源端还是负载端均可。在实际应用中,为达到有效抑制电磁干扰信号的目的,必须根据滤波器两端将要连接的电磁干扰信号源阻抗和负载阻抗来选购该滤波器的网络结构和参数。当电磁干扰滤波器两端阻抗都处于失配状态时,即图4中Zs≠Zin、ZL≠Zout时,电磁干扰信号会在其输入和输出端产生反射,增加对电磁干扰信号的衰减。其信号的衰减A和反射Γ的关系为:A=–10Lg(1-|Γ|2)。
电磁干扰滤波器

在使用开关电源滤波器时,要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器时,要特别注意滤波器的输入导线和输出导线的间隔距离,不能把它们捆在一起走线,否则电磁干扰信号很容易从输入线上耦合到输出线上,这将大大降低滤波器的抑制效果。
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