卡耐新能源:EMI滤波器设计专题

1、  EMI滤波器基本概念
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（本文主要指高频开关电源）对交流电网的干扰。
2、干扰的分类
一般我们常把干扰分为共模干扰和差模干扰两大类。所谓共模干扰就是任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差；而差模干扰则是任何两个载流导体之间不希望有的电位差。这两种干扰的来源可以从以下两个方面进行考虑：
2.1共模干扰的来源：
架空导线载传输的过程中会受到周围空间电磁环境的辐射，火线、中线和安全地上所感应的信号的幅值和相位几乎是相等的，由于安全地线要和大地相连接，所以就形成了火线、中线和安全地之间的共模干扰。
2.2差模干扰的来源：
共用一条输电线的不同设备，当其中的某一设备进行切换操作时，火线和中线之间会形成幅值大致相等而相位相反的信号，这种信号就是差模干扰。
简单地说，共模干扰就是两个都是进去，而差模干扰则是一进一出。
3、EMI滤波器设计
3.1 EMI滤波器的典型结构
EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。怎样才能抑制这些高频干扰信号呢？无非就是要在信号进入设备之前把它遏制，也就是说，在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。在开关电源中常用的EMI滤波器的结构如图1所示。
图1 EMI滤波器的典型结构
图中的L就是共模电感，它是在同一个磁环上绕制两个绕向相反，匝数相同的线圈所形成的，如图2所示。它只对共模干扰有抑制作用，对差模干扰却没有抑制作用，这是为什么呢？我们可以从物理的角度来解释：
图2 共模电感（环形电感比较难画，这是截来的图片，电流和磁通都没有画上去，见谅！）
当电网输入共模干扰时，这两种方向相同的纵向噪声电流如图2中的 ，由右手螺旋定则可知，两个线圈产生的磁通 （实线所示）顺向串连磁通相加，电感呈现出高阻抗，阻止共模干扰进入开关电源。同时也阻止了开关电源所产生的干扰向电网扩散，以免污染交流电网。而差模干扰电流 和 在L1和L2中所产生的磁通如图中 和 （虚线所示），它们反向串连，磁通相互抵消，感抗为零。差模干扰和工频交流电在形式上是一样的，所以共模电感对差模干扰和工频交流有用信号都没有影响。
3.2   EMI滤波器的性能指标
任何一种产品都有它特定的性能指标，或者是客户所期望的，或者是某些标准所规定的。我们设计产品的技术目标就是满足这些指标就可以了。所谓的“看菜吃饭，量体裁衣”。EMI滤波器最重要的技术指标是对干扰的抑制能力，常常用所谓的插入损耗 （Insertion  Loss）来表示，它的定义是：没有接入滤波器时从干扰源传输到负载的功率P1和接入滤波器后从干扰源传输到负载的功率P2之比，用分贝（dB）表示。
图3 EMI等效原理图
其中                （1）
所以：
（2）
由图3（a）可知
（3）
图3（b）是一个二端口网络，它的传输方程为
（4）
又因为有
（5）
由（2）－（5）式可知
（6）
所以
（7）
由（7）式可以看出，EMI滤波器的插入损耗与滤波网络的网络参量以及源端和负载端的阻抗有关。为避免滤除有用信号, 插损指标须谨慎提出。不论是军用还是民用EMC 标准, 对设备或分系统的电源线传导干扰电平都有明确的规定, 预估或测试获得的EMI传导干扰电平和标准传导干扰电平之间的差值即所需的EMI滤波器的最小插损。然而,对不同的单台设备都进行EMC 测试,而后分析其传导干扰特性, 设计合乎要求的滤波器, 这在实际工程中显然是不可能的。事实上, 国家标准中规定了电源滤波器插入损耗的测试方法。在标准测试条件下,一般军用电源滤波器应满足10kHz～ 30MHz 范围内插入损耗30～ 60dB。工程设计人员只需要根据实际情况选择合适的滤波器。
3.3   EMI滤波器设计原理
在图3（b）中我们把滤波器等效成为一个而端口网络，它的输入阻抗为 ，输出阻抗为 ，由信号传输理论可知，如果输入端和输出端的阻抗不相等（这就是前面所提及的阻抗失配），高频信号就会在输入端产生反射，定义其反射系数为：
（8）
显然， 和 相差越大 便越大，信号反射越大，高频的干扰信号就越难通过。根据图3（b）所示的二端口网络模型的阻抗表达方式
（9）
得到
（10）
这样，通过调节网络参数 , , , 就可以在一定的范围内使得阻抗失配。
总的来说，滤波器的设计要遵循以下的原则：源内阻是高阻抗的，则滤波器的输入阻抗就应该是低阻抗的，反之也同样成立。
4、  EMI滤波器的元件选择
4.1滤波电容的选择
与一般的滤波器不同，图1所示的EMI滤波器典型结构中电容使用了两种下标 ，和 ， 接于相线和中线之间，称为差模电容， 接于相线或中线与地之间，称为共模电容，下标X和Y不仅表明了它在滤波电路中的作用，还表明了它在滤波电路中的安全等级。在设计或选用滤波器时都必须充分考虑这两类电容的安全性能，因为它直接关系到滤波网络的安全性能。
4.1.1差模电容器的选择
指的是应用于这样的场合：当电容失效后，不会导致电击穿现象，不会危及人生安全。 除了要承受电源相线与中线的电压之外，还要承受相线与中线之间各种干扰源的峰值电压。根据差模电容应用的最坏情况和电源断开的条件， 电容器的安全等级又分为 和 两个等级具体规定见表1。所以设计滤波器时应根据不同的应用场合来选择不同安全等级的电容器。            表1 差模电容的分类
CX电容等级
用于设备的峰值电压VP
应用场合
在电强度试验期间所加的峰值电压VP
CX1
VP>1.2kV
出现瞬态浪涌峰值
对C<0.33uF, VP=4kV
对C>0.33uF, VP= kV
CX2
VP<1.2kV
一般场合
1.4kV
若 的安全性能（即耐压性能）欠佳，在上述的峰值电压出现时，它有可能被击穿，它的击穿虽然不危及人生安全，但会使得滤波器的功能下降或丧失。通常EMI滤波器的差模电容必须经过1500－1700V直流电压1分钟耐压测试。
4.1.2共模电容及其漏电流控制
用于电子设备电源的EMI滤波器共模滤波性能常常受到共模电容 的制约。 电容即跨接在相线或中线与安全地之间的电容。接地的电流主要就是指流过共模电容 的电流，由于流过电容的电流由电源电压，电源频率和电容值共同决定，所以漏电流可以由下式估算：
（11）
其中 为 电源电压， 为电源频率。
由于漏电流的大小对于人生安全至关重要，不同国家对不同电子设备接地漏电流都做了严格的规定。若对最大漏电流做出了规定，则可由（11）式可以求出最大允许接地电容值（即 电容的值）：
（12）
如GJB151A-97中规定，每根导线的线与地之间的电容值，对于50Hz的设备，应小于 对于400Hz的设备，应小于 ；对于负载小于0.5kW的设备，滤波电容量不应超过 。标准中的规定除了要满足（12）式外，还要求 电容在电气和机械安全方面有足够的余量，避免在极端恶劣的条件下出现击穿短路的现象。因为这种电容要跟安全地相连，而设备的机壳也要跟安全地相连，所以这种电容的耐压性能对保护人生安全有至关重要的作用，一旦设备或装置的绝缘失效，可能危及到人的生命安全。因此 电容要进行1500－1700V交流耐压测试1分钟。
4.2滤波电感的选择
电感的取值、材料的选取原则从以下几个方面考虑：第一，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在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或者铁粉芯，更好的材料如微晶等。
5、  EMI滤波器应用中应注意的事项
EMI电源滤波器在应用时一定得注意滤波器的安装问题, 因为如果滤波器安装得不合适反而会得到一个更差的效果。
a为了滤波器的安全可靠工作(散热和滤波效果) , 除滤波器一定要安装在设备的机架或机壳上外, 滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致, 并尽量缩短滤波器的接地线。若接地点不在一处, 那么滤波器的泄漏电流和噪声电流在流经两接地点的途径时, 会将噪声引入设备内的其他部分。其次, 滤波器的接地线会引入感抗, 它能导致滤波器高频衰减特性的变坏。所以, 金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。如外壳喷过漆, 则必须刮去漆皮； 若金属外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳滤波器时, 它与设备机壳的接地线应可能短。
b滤波器要安装在设备电源线输入端, 连线要尽量短; 设备内部电源要安装在滤波器的输出端。若滤波器在设备内的输入线长了, 在高频端输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分。若设备内部电源安装在滤波器的输入端, 由于连线过长, 也会导致同样的结果。
c确保滤波器输入线和输出线分离。若滤波器输入、输入线捆扎在一起或相互安装过近, 那么由于它们之间的耦合, 可能使滤波器的高频衰减降低。若输入、输出线必须接近, 那么都必须采用双绞线或屏蔽线。