電磁干擾濾波技術(shù)


1.電源線上的干擾
如果用示波器觀察一下電力電網(wǎng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)50Hz的電壓上疊加著各種各樣的干擾電壓，既有mV級(jí)的連續(xù)干擾，也有數(shù)百V甚至上千V的瞬態(tài)干擾。這些干擾對(duì)電網(wǎng)中的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。這些干擾是從哪里來(lái)的呢？
我們可以將這些干擾分為自然干擾源和人為干擾源。典型的自然干擾源是雷電，空中發(fā)生雷電時(shí)，會(huì)伴隨著強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)會(huì)在空中的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓，這就是干擾。雷電產(chǎn)生的干擾是如此之大，不僅能導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作甚至造成電路損壞。人為干擾源可以分為以下兩種：
●功能性能量發(fā)射設(shè)備：這類(lèi)設(shè)備靠發(fā)射能量工作，如無(wú)線電設(shè)備、雷達(dá)等，他們輻射到空間的能量會(huì)感應(yīng)到電力線上，形成干擾。另外，這些設(shè)備也會(huì)通過(guò)電源線直接將能量泄漏到電網(wǎng)上。
●非功能性發(fā)射設(shè)備：這類(lèi)設(shè)備不依靠發(fā)射能量實(shí)現(xiàn)特定功能。但它們工作時(shí)，會(huì)向外發(fā)射額外的電磁能量。與工業(yè)、醫(yī)學(xué)上使用的高頻儀器、信息處理設(shè)備、含馬達(dá)的家用電器、使用可控硅的家用電器、開(kāi)關(guān)電源等。這些設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向空間和電網(wǎng)上發(fā)射電磁能量。
以往，當(dāng)設(shè)備在干擾的作用下發(fā)生誤動(dòng)作時(shí)，人們往往會(huì)將注意力集中到提高設(shè)備抗干擾性上，想方設(shè)法使設(shè)備能夠在干擾環(huán)境中正常工作。但這不是一個(gè)徹底的解決辦法。就象人們意識(shí)到汽車(chē)尾氣造成的污染會(huì)導(dǎo)致**，為了能夠生存，雖然可以上街時(shí)戴上口罩，但這不是根本的解決辦法。徹底的方法應(yīng)該是控制尾氣排放，形成一個(gè)良好的生存環(huán)境。
同樣，對(duì)于日趨嚴(yán)重的電磁污染，根本的解決方法是限制設(shè)備的電磁泄漏。另一方面，對(duì)于設(shè)備在電磁干擾環(huán)境中正常工作的能力也需要一個(gè)定量的規(guī)定，這就導(dǎo)致了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。國(guó)家現(xiàn)在已將電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不能銷(xiāo)售。
電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)（GB9254,GB4343,GJB151A等）的內(nèi)容：
1. 干擾發(fā)射：輻射發(fā)射；傳導(dǎo)發(fā)射
2. 敏 感 度：輻射敏感度；傳導(dǎo)敏感度；靜電放電敏感度
電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備提出兩個(gè)方面的要求，首先不能向空間環(huán)境發(fā)射過(guò)強(qiáng)的電磁能量，其次要對(duì)環(huán)境中的電磁干擾有一定的耐受能力。


2.電源線濾波器的作用
很多人認(rèn)為電源線濾波器的作用是使設(shè)備能夠電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射傳導(dǎo)敏感度的要求，但這是不**的；后面將看到電源線濾波器對(duì)抑制設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射干擾方面也很重要。嚴(yán)格的說(shuō)，電源線濾波器的作用是防止設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入電源線，同時(shí)防止電源線上的干擾進(jìn)入設(shè)備。電源線濾波器是一種低通濾波器，它允許直流或50Hz的工作電流通過(guò)，而不允許頻率較高的電磁干擾電流通過(guò)。。電源線濾波器是雙向的，它既能防止電網(wǎng)上的干擾進(jìn)入設(shè)備，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不佳影響，使設(shè)備滿足傳導(dǎo)敏感度的要求；又能防止設(shè)備內(nèi)的電磁干擾通過(guò)電通過(guò)電源線傳到電網(wǎng)上，使設(shè)備滿足傳導(dǎo)發(fā)射的要求。
能夠產(chǎn)生較強(qiáng)干擾的設(shè)備和對(duì)外界干擾敏感的的設(shè)備都要使用電源線濾波器。能夠產(chǎn)生強(qiáng)干擾的的設(shè)備有：含有脈沖電路（微處理器）的設(shè)備、使用開(kāi)關(guān)電源設(shè)備、使用可控硅設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、含有馬達(dá)的設(shè)備等。敏感電路如：使用微處理器的設(shè)備、小信號(hào)模擬電路等。


3.電源線上干擾的類(lèi)型
電源線上的干擾電流按照其流動(dòng)路徑分為兩類(lèi)，一類(lèi)是差模干擾電流，另一類(lèi)是共模干擾電流。差模干擾電流是在火線和零線之間流動(dòng)的干擾電流，共模干擾是在火線、零線與大地（或其它參考物體）之間流動(dòng)的干擾電流，由于這兩種干擾的抑制方式不同，因此正確辨認(rèn)干擾的類(lèi)型是實(shí)施正確濾波方法的前提。區(qū)分干擾電流是差模還是共?？梢詮娜齻€(gè)方面進(jìn)行判斷：
a. 從干擾源判斷：
雷電、設(shè)備附近發(fā)生的電弧、設(shè)備附近的電臺(tái)和其它大功率輻射裝置在電源線上產(chǎn)生的干擾是共模干擾；另外，如果發(fā)現(xiàn)電源線上的干擾是來(lái)自機(jī)箱內(nèi)的線路板或其它電纜，則為共模干擾；這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)空間感應(yīng)在火線和零線上的干擾電流是同相位的。在同一電力線上工作的馬達(dá)、開(kāi)關(guān)電源、可控硅等會(huì)在電源線上產(chǎn)生差模干擾。
b. 從頻率上判斷
差模干擾的頻率主要集中在1MHz以下，而共模干擾的頻率一般分布在1MHz以上。這是由于共模干擾是通過(guò)空間感應(yīng)到電源線上的，這種感應(yīng)只有在干擾信號(hào)頻率很高時(shí)才容易發(fā)生。
c. 用儀器測(cè)量
如果有一臺(tái)頻譜分析儀和一只電流卡鉗就可以進(jìn)行測(cè)量。電流卡鉗實(shí)際上是一個(gè)繞在磁芯上的線圈，當(dāng)被測(cè)電纜穿過(guò)卡鉗時(shí)，就形成了一個(gè)變壓器；被測(cè)導(dǎo)體相當(dāng)于變壓器初級(jí)，卡鉗中的線圈相當(dāng)于變壓器次級(jí)，電纜上的信號(hào)會(huì)耦合到卡鉗中的線圈上，用頻譜分析儀可以檢測(cè)出來(lái)。
判斷步驟如下：
● 步驟一：將卡鉗卡在火線或零線上，記錄下某個(gè)感興趣頻率的干擾信號(hào)的強(qiáng)度l（f1）
●步驟二:將卡鉗同時(shí)卡住火線或零線，若觀察不到l（f1），則l（f1）完全是差模干擾，其中不含共模成份；，若還能觀察到l（f1），則l（f1）中包含共模干擾成份，要判斷是否僅含共模成份，需進(jìn)行步驟三的判別。
●步驟三：將卡鉗分別卡住火線或零線，若兩根線上測(cè)得的l（f1）的幅度相同，則l（f1）僅含共模成份；若不相同，則l（f1）中還包含差模成份。


4. 電源線濾波器的基本原理
電源線濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成，它允許直流或50Hz電流通過(guò)，對(duì)頻率較高的干擾信號(hào)則有較大的衰減。由于干擾信號(hào)有差模和共模兩種，因此電源濾波器要對(duì)這兩種干擾都具有衰減作用。
地線一般是金屬機(jī)箱，當(dāng)設(shè)備機(jī)箱不是金屬材料時(shí)，濾波器的地線一般與**地相連；但由于**地的阻抗很大，濾波器對(duì)共模干擾的衰減效果將大大降低。


5. 電源線濾波器的主要指標(biāo)
當(dāng)我們選用電源線濾波器時(shí)，應(yīng)主要考慮三個(gè)方面的指標(biāo)；首先是電壓/電流，其次是插入損耗，*后是結(jié)構(gòu)尺寸。由于濾波器內(nèi)部一般是經(jīng)過(guò)灌封處理的，因此環(huán)境特性不是主要問(wèn)題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對(duì)電源濾波器的環(huán)境特性有一定的影響。
a）電壓、電流對(duì)使用效果的影響
電源有交流直流之分，與此相對(duì)應(yīng)，許多廠家的電源線濾波器也分為交流和直流兩種。從原理上講，交流電源線濾波器既可用在交流電源上，也可在直流電源上使用；但直流電源線濾波器不能用在交流的場(chǎng)合，這主要因?yàn)橹绷鳛V波器中的電容器的耐壓較低，并且有可能其交流損耗較大，導(dǎo)致過(guò)熱。即使直流濾波器耐壓沒(méi)有問(wèn)題，由于直流濾波器中使用了容量較大的共模濾波電容器，如果在交流的場(chǎng)合會(huì)產(chǎn)生漏電流超標(biāo)的問(wèn)題。因此，直流電源線濾波器優(yōu)良不能用在交流的場(chǎng)合。交流濾波器用在直流場(chǎng)合，從**的角度看沒(méi)有問(wèn)題，但要付出成本和體積的代價(jià)；在樣機(jī)階段，如果手頭正好有交流濾波器，可以代替直流濾波器。
當(dāng)電源線濾波器的工作電流超過(guò)額定電流時(shí)，不僅會(huì)造成濾波器過(guò)熱，而且會(huì)導(dǎo)致濾波器的低頻濾波性能降低。這是因?yàn)闉V波器中的電感在較大電流的情況下，磁芯會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象，使實(shí)際電感量減小。因此，確定濾波器的額定工作電流時(shí)，要以設(shè)備的*大工作電流為準(zhǔn)，確保濾波器在*大電流狀態(tài)下具有良好的性能，否則當(dāng)干擾在*大工作電流狀態(tài)下出現(xiàn)時(shí)，設(shè)備會(huì)受到干擾或傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。
在確定濾波器的額定電流時(shí)，要留有一定的余量；特別是人們習(xí)慣上對(duì)交流電稱“有效值”，而不是交流電的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般濾波器的額定電流值應(yīng)取實(shí)際電流值的1.5倍。
b) 插入損耗對(duì)使用效果的影響：
從抑制干擾的角度考慮，插入損耗是*重要的指標(biāo)。插入損耗分為差模插入損耗和共模插入損耗。


6.影響電源線濾波器外形尺寸的因素
由于許多設(shè)備在設(shè)計(jì)之出并沒(méi)有考慮干擾濾波的問(wèn)題，因此安裝濾波器的空間往往是一個(gè)很棘手的問(wèn)題、。即使在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了電磁兼容的問(wèn)題，人們往往會(huì)認(rèn)為電源線濾波器是一個(gè)可有可無(wú)的選裝件，不愿意提供較大的空間。由此造眾人在選用濾波器時(shí)，經(jīng)常將濾波器的體積作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)來(lái)考慮，總是希望濾波器的體積越小越好。
為什么兩個(gè)濾波器的額定電流都是10A，而它們的體積會(huì)相差很多？你會(huì)毫不猶豫的選擇體積較小的一種？濾波器的體積主要由濾波電路中的電感所決定，電感線圈的體積越大，濾波器的體積越大。以下因素影響電感的體積：
a)額定電流：當(dāng)濾波器的額定工作電流較大時(shí)，電感線圈會(huì)使用較粗的導(dǎo)線繞制，這自然會(huì)增加體積；另外，為防止磁芯發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，往往要使用體積較大的磁芯，這會(huì)增加體積；
b)低頻特性：當(dāng)需要濾波的干擾信號(hào)頻率較低時(shí)，共模扼流圈和差模扼流圈的電感量都需要很大，導(dǎo)致電感元件的體積增加。例如開(kāi)關(guān)電源的頻率越低，則需要濾波器中的電感量越大；
表-1 給出了濾波器共模電感與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)關(guān)電源頻率的關(guān)系。
通過(guò)以上的分析，你是否還在刻意的追求濾波器的體積??？體積小的濾波器已使用了體積小的電感元件，它的電感為什么能?。渴菭奚穗娏魅萘?，還是犧牲了低頻特性？付出這些代價(jià)后，是否還能滿足*核心的要求——抑制電磁干擾？
另外，當(dāng)濾波器的體積較小時(shí)，內(nèi)部器件一定靠得很近，這會(huì)降低濾波器的高頻濾波性能，導(dǎo)致設(shè)備的輻射發(fā)射超標(biāo)。這在實(shí)際使用中要特別注意
表-1
電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)
共模電感的電感量（mH）


7.選用電源線濾波器是怎樣確定所需要的插入損耗
首先在設(shè)備的電源入口處不安裝濾波器，對(duì)設(shè)備進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度的測(cè)量，并與要滿足的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，看兩者之間相差多少分貝，濾波器的作用是彌補(bǔ)上這個(gè)差距。以抑制設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射為例，給出了確定濾波器插入損耗的過(guò)程。首先將設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射值*大包絡(luò)線（a）與標(biāo)準(zhǔn)給出的限制值線（b）相比較，計(jì)算其差值得到需要的插入損耗值（c）。由于電源線濾波器是低通濾波器將插入損耗線（c）變換為低通濾波器插入損耗的形式（d），（d）就是濾波器需要的插入損耗值。
注意: （d）并不是低頻濾波器的特性，而是一個(gè)帶阻濾波器的特性，這是考慮到實(shí)際濾波器的非理想性（見(jiàn)下一節(jié)）。
但如果從廠家的產(chǎn)品樣本上選擇插入損耗值滿足（d）的濾波器，經(jīng)常會(huì)失敗。因?yàn)閺S家產(chǎn)品樣本上的數(shù)據(jù)是在濾波器兩端阻抗為50Ω的條件下測(cè)得的，而實(shí)際使用條件并不是這樣。因此在實(shí)際使用條件下，濾波器的插入損耗會(huì)有所降低。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，在從產(chǎn)品樣本中選擇濾波器時(shí)，應(yīng)加20dB的余量，這就得到了（e）。從樣本上選擇濾波器，其插入損耗應(yīng)滿足（e）的要求。


8.實(shí)際電源線濾波器與理想濾波器的差距
理想的電源線濾波器是低通濾波器，但實(shí)際的電源線濾波器通常是帶阻濾波器。造成這種差別的原因是電容器和電感器的非理想性。
電容器的引線是有電感的，而電感線圈上又存在著寄生電容，盡管這些電感、電容很小，但當(dāng)頻率較高時(shí)，它們的影響是不能忽略的。因此由實(shí)際電感、電容器構(gòu)成的低通濾波器電路在頻率較高時(shí)，就變成了一個(gè)帶阻濾波器電路。
此外，高頻時(shí)器件之間的耦合也是造成濾波器在高頻區(qū)間插入損耗減小的一個(gè)原因。從圖可以看到，器件之間的距離對(duì)濾波器的高頻性能有很大的影響。這種影響在1MHz時(shí)就已經(jīng)很明顯了。
因此，即使濾波器的電路結(jié)構(gòu)完全相同，由于器件的特性不同、器件的安裝方式的不同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，它們的高頻性能會(huì)差很多。濾波器的電路結(jié)構(gòu)僅決定了濾波器的低頻特性。要想提高濾波器的高頻性能，生產(chǎn)時(shí)需要從許多方面注意制作工藝，如選用電感小的電容器、制作寄生電容小的電感、焊接時(shí)電容器的引線盡量短、在內(nèi)部采取適當(dāng)?shù)母綦x等。電磁干擾濾波技術(shù)電磁干擾濾波技術(shù)電磁干擾濾波技術(shù)電磁干擾濾波技術(shù)