干扰电源滤波器设计 浅谈干扰电源滤波器设计过程

对于干扰电源滤波器想必大家应该都不陌生，那么关于它你了解多少呢？你知道干扰电源滤波器是怎么设计的吗？本文主要介绍的是关于干扰电源滤波器的设计过程。

电源滤波器

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。

电源滤波器的目的是在抑制电磁噪声，噪声的影响可分为以下二种：

发射（Emissions）：是要将由设备产生，影响电源或其他设备的噪声降到法规（例如FCC part 15）允许值以下，例如由开关电源产生的噪声。

抗扰（Immunity）：是要将进入设备的噪声降低到不会使设备出现异常动作的程度，例如用在广播电台发射设备中的仪器。

电源滤波器要抑制的噪声可分为以下的二种：

共模：在二条（或多条）电源线都相同的噪声，可视为电源线对地的噪声。

差模：电源线和电源线之间的噪声。

同一个电源滤波器对于共模噪声及差模噪声的抑制能力会有所不同，一般会用频率对应抑制量（以分贝表示）的频谱来说明。

干扰电源滤波器设计

本文以关电源电磁干扰滤波器设计为例，介绍干扰电源滤波器设计的设计过程。

开关电源EM I的产生机理

开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明:

　　EM I滤波器的插入损耗

　　插入损耗是滤波器重要的技术性能参数之一。设计EM I滤波器时考虑的中心问题是，在保证滤波器满足有关标准要求的前提下，实现尽可能高的插入损耗。

　　EM I滤波器阻抗分析

　　EM I滤波器主要用于抑制进出设备的电磁干扰，具有双向抑制性。

　　由上文的分析可知，要使EM I滤波器对EM I信号有最佳的衰减效果，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。

　　根据上述的原理，选用EM I滤波器结构应遵循下列原则：

　　（1） EM I滤波器的串联电感要接到低阻抗源或低阻抗负载;

　　（2） EM I滤波器的并联电容要接到高阻抗源或高阻抗负载。

　　EM I滤波器的网络结构研究

　　滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成。由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理为：

　　（1）利用电容通高频隔低频的特性，将电源正极、电源负极高频干扰电流导入地线（共模） ，或将电源正极高频干扰电流导入电源负极（差模） ;

　　（2）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源。

　　共模电感工作原理

　　如图4所示，共模电感是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯，具有漏磁小、效率高等特点。当电流在两个绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对电流不起任何阻碍作用。如果共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用

　　实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不再设置独立的差模电感。

　　共模电感的漏感测量方式如图5所示，将两绕组其中一端连接，由另一端测量电感值，此测量到的感值即是共模电感的漏感量。

　　共模电感材料的选择

　　制作共模电感，选用何种磁芯材料，除了必须注意防止磁芯饱和问题外，还应该考虑到磁芯的恒磁导特性，当电感额定电流较大时，电感量是否减少，减少到什么程度，会不会达到饱和。

　　在绕制共模电感时，一般采用锰- 锌铁氧体、镍- 锌铁氧体和微晶磁芯。

　　滤波电路设计

　　本例采用的开关电源参数为： 输入24V，输出12V，功率为25W。

　　本滤波电路采用电源模块前后各加一级的方式。其中共模电容为0. 01μF，差模电容为6800pF，共模电感采用锰- 锌铁氧体，每路绕31匝，电感量为3. 7mH。

　　滤波结果

　　在示波器带宽为20MHz时，测得的滤波前后纹波分别为50mV和5mV。（以上纹波均在80%纯阻性负载下测得）

　　干扰电源滤波器设计过程中的接线

　　1、电源滤波器的不能存在电磁耦合路径

　　①电源输入线过长；

　　②电源滤波器的输入线和输出线靠的过近。

　　此两种都是不正确的安装方式，问题的本质在于，滤波器的输入端电线和它的输出端电线之间存在有明显的电磁耦合路径。这样一来，存在于滤波器某一端的EMI信号会逃脱滤波器对它的抑制，不经过滤波器的衰减而直接耦合到滤波器的另一端去。因此滤波器输入与输出先需有效分开。

　　另外，如上述两种把电源滤波器都是安装在设备屏蔽的内部，设备内部电路及元件上的EMI信号会因辐射在滤波器的（电源）端引线上生成EMI信号而直接耦合到设备外面去，使设备屏蔽丧失对内部元件和电路产生的EMI辐射的抑制。当然，如果滤波器（电源）上存在有EMI信号，也会因辐射而耦合到设备内部的元件和电路上，从而破坏滤波器和屏蔽对EMI信号的抑制作用。所以起不到效果。

　　

　　2、不能将线缆捆扎在一块

　　一般来说，在电子设备或系统内安装电源滤波器时要注意的是，在捆扎设备电缆时，千万不能把滤波器（电源）端和（负载）端的电线捆扎在一起，因为这无疑加剧了滤波器输入输出端之间的电磁耦合，严重破坏了滤波器和设备屏蔽对EMI信号的抑制能力。

　　3、要尽量避免使用长接地线

　　电源滤波器输出端连接变频器或电机的接线长度不超过30厘米为宜。

　　因为过长的接地线意味着大大增加接地电感和电阻，它会严重破坏滤波器的共模抑制能力。较好方法是，用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽牢牢地固定在设备电源入口处的机壳上。

　　

　　滤波器的正确安装方法

　　4、电源滤波器输入线、输出线必须拉开距离

　　电源滤波器输入线、输出线必须拉开距离，切忌并行，以免降低滤波器效能。

　　5、电源滤波器外壳与机箱壳必须良好接触

　　变频器专用滤波器金属壳与机箱壳必须保证良好面接触，并将接地线接好。

　　6、电源滤波器的连接线宜选用双绞线

　　电源滤波器的输入、输出连接线以选用屏蔽双绞线为佳，它可有效消除部分高频干扰信号。

　　结语

　　对于干扰电源滤波器设计，本文首先对开关电源EM I的产生进行了阐述，然后重点分析了EM I滤波器的设计原理，尤其是对其中起很重要作用的共模电感进行了详细的说明，最后在上述理论的指导下，设计了针对某一型号开关电源的EM I滤波电路，并取得了较好的效果。至此关于干扰电源滤波器设计就介绍完了，希望通过本文能对你有所帮助。