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一文了解电磁兼容设计中的滤波器

滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性,即可以让某些频率顺利通过,而对其它频率则可以加以阻拦。在产品及设备的端口通常包括电源端口及信号端口,在EMC测试项目中针对端口的试验包括浪涌SURGE,静电ESD,电快速脉冲群EFT/B,传导敏感度CS,传导发射CE,电压暂降、短时中断和电压变化。

通过在端口附近设计共模滤波器,对共模干扰进行衰减和旁路。如下图1所示。

图1 在产品端口的滤波器的设计示意图

如图1所示,假如产品为屏蔽机壳,在产品中设计有信号滤波器及电源滤波器。此时就可以切断干扰沿信号线或电源线传播的路径,与屏蔽共同构成完善的干扰防护。

EMC设计中的滤波器通常指由R、C、L包括共模电感的一种或几种元件构成的低通滤波器。不同结构滤波器的主要区别之一,是其中的电容与电感的连接方式不同。注意:这里所说的滤波器不仅包括作为单个部件的滤波器,还包含了直接设计在产品I/O接口中的滤波电路。滤波器按照原理结构不同可以分为多种,最简单的滤波器就是单个电容或电感。电感和电容不同的组合会形成不同功能的滤波器。如图2所示,为各种由电感、电容组成的简单差模滤波器。

图2 各种由电容、电感组成的差模滤波器

如图2所示的滤波器其有效性不仅与其结构有关,而且还与其连接的网络的阻抗有关。比如单个电容的滤波器并联在高输入阻抗电路的接口时能取得较好的滤波效果,而并联在低输入阻抗电路的接口时却不能取得较好的滤波效果;单个电感的滤波器串联在低输入阻抗电路的接口时能取得较好的滤波效果,而串联在高输入阻抗电路的接口时却不能取得较好的滤波效果。

滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续,将射频电磁波中的大部分能量反射回源端。如果滤波器中还存在耗能性器件比如,磁珠及电阻。还将产生损耗,将电磁波的能量转化为热能而散发掉。当滤波器的输出阻抗Z0UT与它端接的负载阻抗RL不相等时,在这个接口上会产生反射。反射系数定义为p=(Z0UT-RL)/( Z0UT+RL), Z0UT与RL相差越大,反射系数p就越大,接口产生的反射也就越大。对被控制的干扰信号,当滤波器两端的阻抗都处于失配状态时,干扰信号会在它的输入和输出接口产生很强的反射。这样一来,滤波器对干扰信号的衰减,等于滤波器的固有插入损耗加上反射损耗。在滤波器电路设计时,可以用此技巧来实现对干扰信号更加有效的抑制。这也是为什么选用成品滤波器时,一定要正确分析其接口阻抗的正确搭配,尽可能产生大的反射,以达到对干扰信号有效控制的原因。

在设计滤波器电路时,先要具体分析滤波器的网络结构和接入电路的等效阻抗,推荐按下表1阻抗搭配的方法进行端接。其设计技巧为:电容对应高阻;电感对应低阻的方法。

表1 滤波电路阻抗搭配方法

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   通常滤波器其参数是在50Ω的源和负载阻抗的测试环境下获得的,因为大多数射频测试设备采用50Ω的源、负载及电缆。这对测试方便,并且也是符合射频标准的。这种方法获得的滤波器性能参数是最优化的,同时也是最具有误导性的。这时由于滤波器是由电感和电容组成的,这是一个谐振电路。其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。事实上,可能一个价格较高及性能还比较优秀的滤波器,实际测试效果并不理想。那是因为实际应用中源阻抗Zs和负载阻抗ZL是比较复杂的。比如,通常市电的供电系统它在每个时段,交流电源的阻抗会在2Ω~2KΩ间变化,取决于与它连接的负载以及所关心的频率和不同时刻。假如当整流器件在电源波形的尖峰附件导通时,相当于短路,而在其它时间,相当于开路。另外,如果滤波器的一端或两端与电感器件相连接时,还有可能会产生谐振,使某些频率点的插入损耗变为插入增益,此时滤波器不但不能将噪声滤除,反而会放大噪声。

对于产品及设备往往都会有开关电源的设计,由于开关电源是一个重要的对外干扰源,因此就需要在输入电源端口设计EMI滤波器。通过电源线端口的EMI滤波器的设计快速优化产品的EMI的设计问题。

另外,从EMS角度考虑,由于隔离变压器的输入输出间存在较大的分布电容,高频共模干扰可以毫无衰减地从输入耦合至输出,因此也需要在开关电源电子线路前端设计滤波器。

由于源阻抗Zs和负载阻抗ZL的不确定性给滤波器的设计带来了一定的难度。但是,对于电源线EMI输入滤波器的设计,作为EMC测试,不同的测试项目,相关标准均给出了一个标准的电源输出阻抗,即被测设备相连的EMC测试仪器其阻抗是恒定的。传导骚扰测试时,LISN和接收机提供的共模阻抗为25Ω,差模阻抗是100Ω。这样在设计具有开关电源的电源接口的滤波器时,电源接口在频率150KHz~30MHz之间的电源接口电网侧的阻抗是恒定的。即开关电源的EMI噪声源成为电源滤波器的源,LISN和接收机成为电源滤波器的负载且阻抗恒定,这样就简化了电源线滤波器的设计和选择。

图3 电源线滤波器的作用

解决电源线EMC问题的方法是设计和安装电源线滤波器。滤波器让产品或设备工作需要的电能通过,同时阻止骚扰能量通过电源线进出产品或设备。

对于一个产品及设备而言在它的入口处一定要安装滤波器来保证电源线基本的EMC要求。滤波器的应用要根据阻抗失配原理,其滤波器的效果和源阻抗及负载阻抗有关。传导骚扰测试时,由于LISN和接收机50Ω的输入阻抗的存在,电源线滤波器负载的共模阻抗为25Ω,相对于共模噪声源的内阻为低阻抗;电源线滤波器负载的差模阻抗为100Ω,相对于噪声源的内阻为高阻抗。差模阻抗为50Ω都可以认为是低阻抗。

根据表1中设计滤波器的原则,分别在差模和共模的情况下使电容两端存在高阻抗,电感两端存在低阻抗,就可以给出推荐的滤波器电路设计原理。

对于在电源输入端口的EMI滤波器的应用情况,根据通用的设计理论,推荐标准的输入滤波器的电路结构及参数参考。

常用的标准电路的结构如下图4、图5、图6所示:

图4 无接地端子单极滤波器结构

如图4所示,相关产品的应用对于II类器具或者II类结构是没有接地端子的,对于小功率供电的开关电源系统推荐简单的LC单级的滤波电路结构。

图5 有接地端子的单级滤波器结构

如图5所示,相关产品或设备的应用具有一个接地端子,当使用一阶LC的滤波电路方式推荐图示的滤波器原理结构。

图6有接地端子的两级滤波器结构

如图6所示,相关产品或设备的应用具有一个接地端子,当使用两阶LC的滤波电路方式推荐图示的滤波器原理结构。

对于上述的滤波器结构使用中,通过影响频率范围可以优化滤波器参数的设计达到实际的滤波效果。根据测试中的现象有对应的解决方法可参考表2

表2 滤波器的器件参数匹配调整方法

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在表2中当无PE接地端子时,输入EMI滤波器就没有Y电容的设计。共模扼流圈也就是共模电感在绕制中会产生1%左右的漏感,可直接利用共模电感的漏感来进行差模滤波,若要加强差模滤波,则需要增加差模电感设计。

注意:

上述所示滤波器原理结构在进行PCB布板时,应尽量摆放在靠近于端口的位置,且PCB印制线走线应注意控制环路面积,让滤波器获得最大的插入损耗。

   从EMS角度考虑,滤波器中共模电感对系统的电快速瞬变脉冲群作用明显。最快速优化滤波器的方法还可以通过EMI传导发射的测试数据进行输入EMI滤波器的匹配设计。电源线EMI滤波器的详细分析与设计,可参考《物联产品电磁兼容分析与设计》。

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