EMI电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要器件,在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可抑制线上传导干扰,同时对线上辐射干扰的抑制具有显著效果。
负载噪声源和电源网络的连接方式如图2所示。电源与负载网络具有相线(L)、中线(N)和地线(E), 故将电源线上EMI噪声分解为两部分:L与N上传输的为差模传导干扰IDM,L(或N)与E上传输的为共模传导干扰ICM。差模干扰主要来源于共阻抗耦合,共模干扰主要来源于电源及设备内部线-线、场-线耦合。两种干扰的抑制原理所用器件类型及参数均有所不同。
EMI电源滤波器分别针对两种类型的传导干扰进行设计。图3所示的网络结构即为一种典型的电源滤波器电路,对应的共模、差模滤波等效电路分别如图4、图5所示。
图3中的L称共模扼流圈,是在一个软磁材料制成的闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L(或N)与E之间的共模干扰具有抑制作用,而对L与N之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生,图5中的Le即为非理想共模扼流圈的漏电感。
与一般滤波器不同,图3中的电容采用两种不同的下标表示,即CX与CY。其中CX接于L与N之间,称为差模电容;CY接于L(或N)与E之间,称为共模电容或接地电容。下标X和Y不仅说明它们在滤波网络中的作用,同时也表明各自的安全等级,这两类电容器的性能直接与滤波器的耐压及安全性能相关。这一点在“滤波器测试”中将继续介绍。
国(军)标中规定了各类电子设备的电源线传导发射极限值。图6中分别给出了GJB-151A中CE102规定的典型电源线传导发射极限值,图7给出了GB9254中A级及B级设备的传导发射极限值。若受试设备传导发射超标,可参照发射极限值确定插入损耗指标,选用合适的电源滤波器。
对比军标与国标的极限值曲线,GJB151A规定的频率范围为10KHz-10MHz,而GB9254规定的频率范围为150K(450K)Hz-30MHz;军标测试采用峰-峰值检波,民标测试采用准峰值检波。所以,总体来看,军标要求要比民标严酷的多。根据大量电子设备传导干扰分析与测试的经验,总结出图8所表示的CM(共模干扰)和DM(差模干扰)干扰电平频域分布图,反映了这两种类型传导干扰占主要地位的频段分布。
开容公司针对军标和民标的不同要求,并且根据传导干扰的分布特性,分别设计了适用于军标要求的高性能军用电源滤波器和适用于民标要求的工业用、民用电源滤波器;在此基础上又研制了适用于特殊场合的专门用途滤波器。工程设计人员可结合实测的传导发射量值,参照图8选用合适的EMI电源滤波器,以使系统或设备满足测试要求。
值得注意的是,根据大量的测试结果分析,若选用的滤波器恰好只满足电源线传导发射测试要求(高频至10MHz/30MHz),则线上在高于此频段仍将存在较强的传导干扰(尤其是对于 GJB151A,其高频仅为 10MHz),这将会导致电源线辐射发射较强,造成设备辐射发射测试(RE102)超标。该类超标一方面很难被发现,另一方面也难以通过其它屏蔽措施加以抑制。开容公司设计生产的KF系列电源滤波器不仅满足电源滤波器的通用标准要求,而且还具有高至50MHz-100MHz的高插损性能,可有效解决传导发射(CE)超标的问题,同时有效抑制因传导干扰而产生的线上辐射发射,更有助于设备满足辐射发射(RE)的测试要求。同样道理,KF系列滤波器对设备满足传导敏感度及辐射敏感度的测试要求也是大有益处的。
测试标准的确定为电源滤波器的各项指标提供了统一的衡定依据。其中最主要的测试项目包括插入损耗测试、泄漏电流及耐高压测试等。
插入损耗测试方法参照MIL-STD-220A和GB7343,这些标准都规定,共模和差模插入损耗是在源端或负载端阻抗50-75W间的某一阻值的系统内进行测量的(本公司产品插损数据采用50W系统进行测量),测试原理如图9所示:
由于电源滤波器是由电容、电感、(软磁材料上绕制线圈)所组成的,滤波器中的电容、电感量值及插入损耗均随温度有所变化,因此GJB360 规定的滤波器插入损耗验收测试温度为25℃。一般情况下,滤波器低温和高温插入损耗要低于室温指标。开容公司对所研制的军用滤波器优选了温度变化小的器件,具有优异的高低温性能。
泄漏电流:是指在额定电压下,相线或中线与滤波器外壳(地线)间流过的电流。它主要取决于接地电容(共模电容)的取值。较大的共模电容(CY)可以提高插入损耗,但却造成较大的漏电流。故开容公司根据产品使用环境,兼顾滤波器电性能和安全性能进行设计,使滤波器具有良好的综合性能。泄漏电流的测试电路如下所示:
耐压测试:为确保电源滤波器的性能以及设备和人身安全,必须进行滤波器耐压测试。
决定线-线之间耐压性能的关键器件就是差模电容CX,若CX电容器的耐压性能欠佳,在出现峰值浪涌电压时,可能被击穿。它的击穿虽然不危及人身安全,但会使滤波器功能丧失或性能下降。
CY电容器除了满足接地漏电流的要求外,还在电气和机械性能方面具有足够的安全余量,避免在极端恶劣的环境条件下出现击穿短路现象。故线-地之间的耐压性能对保护人身安全有重要意义,一旦设备或装置的绝缘保护措施失效,可能导致人员伤亡。因此,必须对接地电容(CY)进行严格的耐压测试。
根据相关标准要求,开容公司生产的电源滤波器满足如下耐压测试要求:
交流电源滤波器
线-地:1760VAC(1分钟)耐压测试;
线-线:1500VDC(1分钟)耐压测试。
直流电源滤波器
线-地:500VDC(1分钟)耐压测试;
线-线:200VDC(1分钟)耐压测试。
使用注意事项
为减小接地阻抗,滤波器应安装在导电金属表面或通过编织接地带与接地点就近相连(图11),避免细长接地导线造成较大的接地阻抗。
滤波器应尽量安装在设备的入口/出口处(如图12)。
为避免输入/输出互相耦合,应尽量做到输入/输出隔离,至少严格禁止滤波器输入/输出线的相互交叉、路径平行等(如图13)。若由于位置及空间的限制,无法满足上述要求,则滤波器的输入/输出线必须采用双绞线、屏蔽线或在导线上加有铁氧体吸收层的高频吸收线。