电源滤波器选型及参数

　　电源滤波器简介

　　电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，又名“电源EMI滤波器”，或是“EMI电源滤波器”，一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络：电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

　　电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。电源滤波器的功能就是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

　　利用电源滤波器的这个特性，可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波，变成一个特定频率的正弦波。

　　大功率电源的滤波器如Satons、UBS、变频器等将会产生大量谐波电流，这类滤波器需采用有源电力滤波器APF。APF可对2~50次谐波电流进行滤除。

　　

　　选电源滤波器的目的是抑制电磁噪声，功能就是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。在使用的时候我们就需要了解电源滤波器方面的知识，这样可以防止不必要的损失，而在使用的时候我们还需要了解如何选择电源滤波器。

　　电源滤波器参数

　　1、中心频率（Center Frequency）：滤波器通带的频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。

　　2、截止频率（Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。

　　3、通带带宽（BWxdB）：指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征滤波器通带带宽参数。分数带宽（fractional bandwidth）=BW3dB/f0×100［%］，也常用来表征滤波器通带带宽。

　　4、插入损耗（Insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。

　　5、纹波（Ripple）：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。

　　6、带内波动（Passband Riplpe）：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。

　　7、带内驻波比（VSWR）：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR》1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR《1.5：1的带宽一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。

　　8、回波损耗（Return Loss）：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10ρ|，ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。

　　9、阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数（KxdB》1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可为40dB、30dB、20dB等）。滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。

　　10、延迟（Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。

　　11、带内相位线性度：该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度。

　　

　　电源滤波器选型

　　1、额定电压

　　额定电压是电源EMI滤波器用在指定电源频率时的工作电压，也是滤波器最高允许的电压值。如用在50Hz单相电源 的 滤波器，额定电压为250V;用在50Hz三相电源的滤波器，额定电压为440V.若输入滤波器的电压过高，会使内部电容器损坏。

　　

　　

　　2、额定电流

　　额定电流（Ir）是在额定电压和指定环境温度条件下所允许的最大连续工作电流。

　　随着环境温度的升高，或由于电感导线的铜损，磁芯损耗以及周围环境温度等原因导致工作温度高于室温，这时候就难以确保插入损耗的性能。我们应该根据实际可能的最大工作电流和工作环境温度来选择滤波器的额定电流。

　　除特殊说明外，EMI滤波器说明书给出的额定电流均为室温+25℃（标称温度）的值，同样给定的典型插入损耗或曲线也均指+25℃的值。最大工作电流（Imax）、额定电流与温度之间的存在如下关系： 字串3 式1.0中：Imax为最大工作电流，Ir为室温下额定工作电流，Tmax为最高的工作温度+85℃，Ta为实际工作温度，Tr为室温+25℃。根据式2.0，Imax/Ir与Ta的关系举例说明：+25℃，Imax=Ir;+45℃，Imax=0.816Ir;+85℃，Imax=0. 另外，在国外一些滤波器公司规定，+40℃（标称温度）为工作电流值Ir 。

　　IEC气候等级为25/085时，指定环境温度为+40℃（标称温度）条件下，查取其他环境温度所允许的工作电流曲线。

　　影响工作电流和环境关系的主要原因之一就是滤波器中的软磁材料。EMI滤波器一般采用高磁导率软磁材料锰锌铁氧体，初始磁导率μi=7000~10000，但其居里点温度不高，优质的仅为130℃左右。磁导率越高，居里点温度越低，过居里点后磁导率迅速下降，从而导致滤波器中的电感值下降，严重影响滤波效果。 因此要根据工作温度来正确选择电源滤波器的额定电流，或者改善滤波器的散热条件（工作环境）来确保滤波器的安装使用。

　　

　　3、插入损耗

　　（1） 插入损耗定义 插入损耗是EMI电源滤波器最重要的技术参数之一，设计人员和工程应用人员考虑的中心问题就是：在保证滤波器安全、环境、机械和可靠性能满足有关标准要求的前提下，实现尽可能高的插入损耗。 滤波器的插入损耗是频率的函数，用dB（分贝）表示。电路未接滤波器时，信号源在接受电路端电压（功率）为U（ P），接入滤波器后在接受端输入电压（功率）为U（ P） ，定义插入功耗I.L（InsertionLoss）可以用下列方程推导出来： 假设实际负载阻抗在滤波器插入前后保持不变，故1.1式的各功率可以由其相应的负载电压和阻抗的表达式来代替： 方程中所表示的插入损耗，需要在任何频率下通过取下和插入滤波器来进行测量。

　　（2）共模损耗与差模损耗 EMI电源滤波器的插入损耗包括共模（表示为CM）插入损耗和差模（表示为DM）插入损耗。关于它们的具体测试方法，在CISPR第17号出版物中有过说明，这里就不再说明。例如某个厂家生产的DNF05-H-6AEMI滤波器，按有关标准测得的插入损耗。

　　

　　（3）影响插入损耗的因素 影响电源EMI滤波器插入损耗的因素包括阻抗搭配和安装。实际应用中， EMI滤波器输入和输出端的阻抗已不是测得图2.3曲线时的50Ω，所以它对干扰信号的衰减，不会等于产品标准或说明书中的给出的插入损耗。如果选用EMI滤波器的网络结构和参数合理，加上安装得当，则有可能实现优于标准中的规定的插入损耗。反之，如果网络搭配和参数的选择不当，安装又有问题，则有可能得不到好的应用效果，反而会得到相反的效果，如图2.5出现插入损耗增益。

　　另外一个影响因素，就是滤波器的工作温度和额定工作电流。EMI滤波器的插入损耗测量标准，CISPR第17号出版物，MIL-STD-220A和GB7343-87所规定的测量方法中，都一致强调了要在加载额定电流条件下进行它的插入损耗的测量。前文已介绍，这是因为滤波器中的电感L用了铁氧体或其他磁性材料，大电流工作下，磁性饱和状态引起性能变坏。如图2.6是某有问题的EMI滤波器测试情况，曲线①是正常50Ω系统下测试的插入损耗曲线，曲线②是50Ω系统和30A额定电流下测试的插入损耗曲线，两者比较差别相当大。

　　4、阻抗搭配

　　（1）阻抗搭配的原因 选择滤波器时，首先应选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。首先选择滤波电路的原因是与滤波器要在匹配条件下工作的传统概念不同，所谓匹配意味滤波器需在保持输入/输出信号幅度不变（或某一固定比例）的前提下，将其中部分频谱做预期的处理或变换，而EMI电源滤波器不同，它是个以工频为导通对象的低通滤波器，是在不匹配的条件下工作，因为在实际应用中无法实现匹配，如滤波器输入端阻抗RI--电网源阻抗是随着用电量的大小变化的，滤波器输出端的阻抗Rl（负载阻抗）--电源阻抗是随着电源负载的大小变化的，要想获得理想的抑制效果，应遵循正确的阻抗搭配。 无论怎样复杂的电源EMI滤波器，都可以把它的共模和差模滤波网络抽象出来。

　　（2）阻抗失配分析 可以分析出，一般在EMI电源滤波器电路网络中，电感L看作高阻元件，电容C看作低阻元件。为了达到滤波更好的效果，按照滤波器的不匹配原则：如果实际负载为感性高阻，则选择输出负载为容性低阻的滤波器；如果实际负载为容性低阻，则选择输出负载为感性高阻的滤波器。同样，对于滤波器的输入阻抗和电网源阻抗，也应该按照阻抗失配原则来选择滤波器。

　　由式1.4可知，Zo与Rl相差越大，ρ就越大，端口产生的反射也就越大。对被控制的干扰信号，当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时，EMI信号会在它的输入和输出端口产生很强的反射。这样一来，滤波器对EMI信号的衰减，等于滤波器的固有插入损耗加上反射损耗。在EMI滤波器的实际使用中，可用阻抗失配来实现对EMI信号更加有效抑制。这就是为什么选用EMI滤波器时，一定要仔细分析其端口阻抗的正确搭配，使产生尽可能大的反射，达到对EMI信号的有效控制的原因。

　　EMI滤波器对EMI信号的抑制能力不仅取决于滤波器在50Ω系统内测得的插入损耗，还取决于滤波网络与EMI信号源和负载的正确端接。所以，在选用滤波器时，要特别注意EMI滤波器上标牌内容，看其是否准确标出滤波网络的参数和网络结构。显然，那种既不提供网络参数，又没有给出网络结构的EMI滤波器，给正确端接和优化应用带来了麻烦。

　　另外，有的EMI滤波器标牌标明电源和负载端接，这可能是为了某特定电子设备所设置，没有普遍意义，最多也只能是制造厂商的建议端接方法之一。应用EMI滤波器，要具体分析EMI滤波器的网络结构和接入电路的等效阻抗，按照以上阻抗搭配原则进行端接才能正确达到预期目的。

　　

　　电源滤波器选型注意事项

　　1、如果未经过对仪器的EMI、EMS指标测试就选定了滤波器，基本上属于“盲人骑瞎马、夜半临深池”的主儿；

　　2、如果机器上选择的是一个市面上买来的通用滤波器，这个滤波器基本上是可以不加的；

　　3、滤波器8分定制、2分通用才算比较靠谱。

　　下此结论的原因是因为最近遇到的好几起事情，都加了滤波器，但传导就是不过，最后还是根据测试结果给设计了个滤波器样品，一装上ok才算pass，其实设计本身也并不复杂，不过多加了一级差模电容和差模电感、或调整了一下滤波器电感电容的参数而已。通用型的IEC插座滤波器，里面的空间很小，一般只能放得下2个共模电容、一个差模电容和一个共模电感，靠这点东西就能放之四海而皆准，难度莫大焉。