模块化EMI交流线路滤波器

经验丰富的设备设计人员早就知道，仅使用合规组件并不能保证最终产品的 EMC 合规性“通过”。原因多种多样。例如，对设备 AC/DC 转换器的一致性测试是在假设的 AC 线路阻抗、输出负载、电缆的长度和布线以及部件相对于地的位置的特定条件下进行的。当使用内部安装的 AC/DC 转换器对最终产品进行测试时，所有这些条件都会发生变化，从而导致不同且通常更差的传导 EMI 特征。来自其他组件的辐射 EMI 也可以在电源电缆上被拾取，从而增加传导水平。

模块化滤波器可以实现系统 EMI 合规性

外部模块化滤波器可以是解决方案，但有数百种可供选择，哪一个是最佳选择?让我们首先看一下典型商用滤波器的内部电路，并考虑每个组件的作用(图 1)。

图 1： 这种典型的模块化 EMI 滤波器使用 CX 电容器来衰减差模噪声，并使用电感器-电容器组合来降低共模噪声。

电容器 CX 可衰减因转换器内电流的快速变化而从线路到中性线出现的差模噪声、信号和尖峰。电容器将被评为 X1、X2 或 X3，因为它们能够承受交流线路上的电压瞬变。电感器 L 是一个共模或电流补偿扼流圈，如图所示具有两个相控绕组。共模噪声由转换器内电压的快速变化产生，从线路和中性线到接地，将扼流圈视为高阻抗，每个 CY 电容器将噪声电流转移到接地。通过扼流圈上两个绕组的正常运行电流会在磁芯中引起磁场抵消，因此可以使用高电感值而不必担心磁饱和。通常，L 在绕组之间的耦合不够完美，因此会产生一些漏感，

虽然 CX 可以是实际范围内的任何电容值，但两个 CY 值受对地泄漏电流要求的限制。它们有 Y1、Y2、Y3 和 Y4 类型，额定工作电压和瞬态电压降低。通过 Y 电容器的泄漏电流是一个潜在问题，因为它们将安全屏障(线路和中性线接地)桥接起来。如果设备金属件的保护接地连接出现故障，外壳会通过 Y 电容器“浮动”至线路电压，并可能导致触电。因此，这些 Y 电容器值被限制为允许流过外壳的电流不超过规定的电流，该量由用于特定应用环境的标准设定。限制可以从工业系统中的数十毫安到心脏浮动医疗保健应用中的小于 10 µA 不等。

电阻器 R1 是一个高阻值电阻器(通常为 1 MΩ)，如果突然移除交流电源并且无法依靠负载将电荷排出，则用于对 CX 放电，从而在交流连接器引脚上留下潜在的危险电压。针对 ITE 和媒体设备安全的 IEC 62368-1 等标准规定，对于 CX > 300 纳法 (nF)，R1 应在两秒后将电容器放电至低于 60 V，对于 CX < 300 nF，则允许更高的电压。同样，对于只有经过培训的人员才能使用的设备，允许的电压限制更高。

不过，其他标准是不同的。例如，针对医疗设备的 IEC 60601-1 要求 1 秒后放电至低于 60 V，但如果 CX 低于 100 nF，则没有要求。IEC 62368-1 等标准还要求电阻器能够承受瞬态电压，如果电阻器安装在保险丝之前，电阻偏差不超过 10%。因此，电阻器 R1 将成为高规格部件。在某些应用中，正常条件下 R1 的功耗可能会限制其符合美国能源部 (DoE) 和欧洲 ErP 指令等机构规定的待机或空载损耗限制的机会。

图 1中所示的保险丝可以包含在模块化滤波器中，特别是面板安装类型，例如流行的 IEC320-C14 类型(图 2)。

图 2： 诸如 IEC320-C14 之类的熔断面板安装 EMI 滤波器是流行的模块化滤波器选项。

在商业应用中，线路中只有一根保险丝是正常的。如前所述，如果熔断器元件符合标准，则可以简化 R1 等下游组件的规格。某些应用，例如医疗设备和 II 类 IT，需要将线路和中性线都熔断以防止意外连接反转的可能性。在单熔断器的情况下，连接反接会使火线不熔断，并在发生从火线到保护接地的短路时依赖于电源开口中的上游熔断器或断路器。但这些上游设备的额定电流值可能很高，以保护多个负载的接线，并且不能保证在设备故障时快速打开，从而可能引发火灾。然而，双重熔断确实有缺点，

选择过滤器

过滤器的机械格式是选择过程的自然起点。根据应用要求，机械变体可用作 IEC 入口，采用螺钉或卡入式安装，可选择开关和无、一个或两个保险丝。IEC 入口类型的 C14 额定电流为 10 A，C20 额定电流为 16 A，机箱安装部件的额定电流为 20 A 或更高。机箱安装滤波器通常具有六面屏蔽以及直接固定到导电接地金属制品，可提供非常有效的 EMI 衰减。

对于所有类型，都提供医疗版本，它省略了 Y 电容器以将泄漏电流降低到最大典型值 5 µA。这种省略必然意味着共模衰减被降低，并且可能需要在其他地方进行补偿，例如通过级联滤波器。

给定最低输入电压和负载功率因数，可以根据负载功率要求轻松计算滤波器的额定电流需求。例如，在 90 VAC 时功率因数为 0.9 的滤波器上的负载将消耗 200 W/(0.9 × 90 VAC) = 2.47 A 的电流。在这种情况下，额定 3 A 的滤波器可以选择。

选择滤波器所需的衰减最好通过在未安装滤波器的情况下测量系统性能来完成，然后计算外部滤波器需要额外的多少才能满足规格。滤波器数据表中的衰减曲线将指示滤波器性能，但请记住数据表性能是在指定的测试条件下，通常为 50-Ω 源阻抗和负载阻抗。尽管可以使用线路阻抗稳定器网络 (LISN) 对交流电源进行标准化，但应用负载可能与数据表中的测试条件有很大不同。

与 AC/DC 电源中的内部滤波器级联的滤波器模块也可能导致意外结果，发生潜在的谐振，甚至可能导致关键频率下的 EMI 放大。例如，EMI 图取自 XP Power 的典型 AC/DC 转换器，部件为 PBR500PS12B，在 230 VAC 和 180 W 下运行，如图 3所示。该图显示了与准峰值检测的 EN 55032 曲线 B 排放限制线的良好合规性。然后在交流线路中插入一个滤波器，即 XP Power FCSS06SFR，其衰减特性如图4所示。虚线为差模，实线为共模衰减。图 5给出了总体组合结果。

图 3： 此带有内部滤波器的 AC/DC 电源的 EMI 图显示了良好的辐射限制合规性。

图 4： 模块化滤波器类型 XP FCSS06SFR 的 EMI 图显示了差模和共模衰减。

图 5： 添加了图 4 的外部滤波器的图 3 的 AC/DC 电源显示 10 MHz 以上的总衰减比预期的要小，这表明需要确认测量。

可以看出，在大约 1 MHz 时，滤波器衰减使发射量下降了预期的量，但在 10 MHz 及以上，改进与预期不符，这表明模块化滤波器没有“看到”50 Ω，因为在这些频率上终止。它的衰减比预期的要低。这一结果证实了进行实际测量以确认合规性的必要性。

审核编辑：汤梓红