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EMI滤波器的设计原理

2009年11月01日 08:33 次阅读

EMI滤波器的设计原理

 摘要:EMI滤波器能有效抑制电网噪声,提高电子仪器、计算机和测控系统的抗干扰能力及可靠性。详细阐述了EMI滤波器的设计原理、典型应用及测试方法。

    关键词:电磁干扰 EMI滤波器 电源噪声 测试 插入损耗

随着电子设计、计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及,电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高(几百伏至几千伏)、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰,常使人防不胜防,这已引起国内外电子界的高度重视。

电磁干扰滤波器(EMI Filter)是近年来被推广应用的一种新型组合器件。它能有效地抑制电网噪声,提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性,可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。

1 电磁干扰滤波器的构造原理及应用

1.1 构造原理

    电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。根据传播方向的不同,电源噪声可分为两大类:一类是从电源进线引入的外界干扰,另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号,电子设备既是噪声干扰的对象,又是一个噪声源。若从形成特点看,噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声。共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。因此,电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求,也必须是双向射频滤波器,一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰,另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰,以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外,电磁干扰滤波器就对串模、共模干扰都起到抑制作用。

表1 电感量范围与额定电流的关系

额定电流I(A) 1 3 6 10 12 15
电感量范围L(mH) 8~23 2~4 0.4~0.8 0.2~0.3 0.1~0.15 0.0~0.08


1.2 基本电路及其典型应用

电磁干扰滤波器的基本电路如图1所示。该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端,使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容C1~C4。L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上,当有电流通过时,两个线圈上的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关,参见表1。需要指出,当额定电流较大时,共模扼流圈的线径也要相应增大,以便能承受较大的电流。此外,适当增加电感量,可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器,容量范围大致是0.01μF~0.47μF,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端,并将电容器的中点接地,能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端,仍选用陶瓷电容,容量范围是2200pF~0.1μF。为减小漏电流,电容量不得超过0.1μF,并且电容器中点应与大地接通。C1~C4的耐压值均为630VDC或250VAC。

    图2示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路,由于采用两级(亦称两节)滤波,因此滤除噪声的效果更佳。针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态群脉冲干扰的问题,国内外还开发出群脉冲滤波器(亦称群脉冲对抗器),能对上述干扰起到抑制作用。

2 EMI滤波器在开关电源中的应用

为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路图3所示。图(a)与图(b)中的电容器C能滤除串模干扰,区别仅是图(a)将C接在输入端,图(b)则接到输出端。图(c)、(d)所示电路较复杂,抑制干扰的效果更佳。图(c)中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。图(d)则是把共模干扰滤波电容C3和C4接在输出端。

EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。图4中曲线a为加EMI滤波器时开关电源上0.15MHz~30MHz传导噪声的波形(即电磁干扰峰值包络线)。曲线b是插入如图3(d)所示EMI滤波器后的波形,能将电磁干扰衰减50dBμV~70dBμV。显然,这种EMI滤波器的效果更佳。

3 EMI滤波器的技术参数及测试方法

3.1 主要技术参数

EMI滤波器的主要技术参数有:额定电压、额定电流、漏电流、测试电压、绝缘电阻、直流电阻、使用温度范围、工作温升Tr、插入损耗AdB、外形尺寸、重量等。上述参数中最重要的是插入损耗(亦称插入衰减),它是评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。

插入损耗(AdB)是频率的函数,用dB表示。设电磁干扰滤波器插入前后传输到负载上的噪声功率分别为P1、P2,有公式:

AdB=10lg(P1/P2)    (1)

假定负载阻抗在插入前后始终保持不变,则P1=V12/Z,P2=V2 2/Z。式中V1是噪声源直接加到负载上的电压,V2是在噪声源与负载之间插入电磁干扰滤波器后负载上的噪声电压,且V2<<V1.代入(1)式中得到:

AdB=20lg(V1/V2)    (2)

插入损耗用分贝(dB)表示,分贝值愈大,说明抑制噪声干扰的能力愈强。鉴于理论计算比较烦琐且误差较大,通常是由生产厂家进行实际测量,根据噪声频谱逐点测出所对应的插入损耗,然后绘出典型的插入损耗曲线,提供给用户。图5给出一条典型曲线。由力疔见,该产品可将1MHz~30MHz的噪声电压衰减65dB。

计算EMI滤波器对地漏电流的公式为:

ILD=2πfCVc    (3)

式中,ILD为漏电流,f是电网频率。以图1为例,f=50Hz,C=C3+C4=4400pF,Vc是C3、C4上的压降,亦即输出端的对地电压,可取Vc≈220V/2=110V。由(3)式不难算出,此时漏电流ILD=0.15mA。C3和C4若选4700pF,则C=4700pF×2=9400pF,ILD=0.32mA。显然,漏电流与C成正比。对漏电流的要求是愈小愈好,这样安全性高,一般应为几百微安至几毫安。在电子医疗设备中对漏电流的要求更为严格。

需要指出,额定电流还与环境温度TA有关。例如国外有的生产厂家给出下述经验公式:

    I=I1×[(85-TA)/45的根据2次方]

    式中,I1是40℃时的额定电流。举例说明,当TA=50℃时,I=0.88I1;而当TA=25℃时,I=1.15I1。这表明,额定电流值随温度的降低而增大,这是由于散热条件改善的缘故。

3.2 测量插入损耗的方法

测量插入损耗的电路如图6所示。e是噪声信号发生器,Zi是信号源的内部阻抗,ZL是负哉阻抗,一般取50Ω。噪声频率范围可选10kHz~30MHz。首先要在不同频率下分别测出插入前后负载上的噪声压降V1、V2,再代入(2)式中计算出每个频率点的AdB值,最后绘出插入损耗曲线。需要指出,上述测试方法比较烦琐,每次都要拆装EMI滤波器。为此可用电子开关对两种测试电路进行快速切换。

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基于MATLAB的理想低通滤波器的设计

低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起...

发表于 2018-01-26 13:34 392次阅读
基于MATLAB的理想低通滤波器的设计

巴特沃斯滤波器的原理_巴特沃斯滤波器优点介绍

本文首先介绍了什么是巴特沃斯滤波器与巴特沃斯滤波器的特性,其次介绍了巴特沃斯滤波器原理,详细的分析了...

发表于 2018-01-26 09:21 539次阅读
巴特沃斯滤波器的原理_巴特沃斯滤波器优点介绍

从硬件设计的角度,为解决同频干扰提供方案

在物联网高速发展的现在,各个频段的应用几乎达到了极致,这就导致了不同模块之间的相互干扰,对于滤波以及...

发表于 2018-01-25 12:35 1572次阅读
从硬件设计的角度,为解决同频干扰提供方案

常见开关电源电路设计汇总(八款模拟电路设计原理图...

本文主要介绍了常见开关电源电路设计汇总(几款模拟电路设计原理图)。重点分析了几款开关电源的典型电路。...

发表于 2018-01-24 17:10 1168次阅读
常见开关电源电路设计汇总(八款模拟电路设计原理图...

验证了LCL型滤波器参数设计及光伏并入配电网的逆...

从滤波器的原理入手,对单L型和LCL型滤波器原理进行对比分析,在设计方法上,对比传统的分步设计法,本...

发表于 2018-01-17 16:00 1341次阅读
验证了LCL型滤波器参数设计及光伏并入配电网的逆...

滤波器分类以及不同结构的滤波电路的不同点电分析

滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容,或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许一些频...

发表于 2018-01-16 09:36 1138次阅读
滤波器分类以及不同结构的滤波电路的不同点电分析

电容和电阻是如何组成高通滤波器?原理解析

高通滤波器是一种让某一频率以上的信号分量通过,而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器...

发表于 2018-01-15 13:36 515次阅读
电容和电阻是如何组成高通滤波器?原理解析

数字低通滤波器的设计

本文主要介绍了数字低通滤波器的设计,数字滤波器有无限冲激响应(IIR)系统和有限冲激响应(FIR)系...

发表于 2018-01-14 15:16 506次阅读
数字低通滤波器的设计

低通滤波器参数怎么设置

本文主要介绍了低通滤波器参数怎么设置,低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通...

发表于 2018-01-14 15:01 812次阅读
低通滤波器参数怎么设置

实际滤波器的基本参数

本文主要介绍了实际滤波器的基本参数和滤波器的主要参数。理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图...

发表于 2018-01-14 14:39 283次阅读
实际滤波器的基本参数

电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参...

本文主要介绍了电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参数以及滤波器的技术参数及正确使用。电源...

发表于 2018-01-12 16:09 816次阅读
电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参...

电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图

本文主要介绍了电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图。电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又...

发表于 2018-01-12 15:22 1515次阅读
电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图

电源滤波器参数

电源滤波器是由滤波电感、电容组成的无源器件。它允许工频(50Hz、60Hz、400Hz)通过,而对电...

发表于 2018-01-12 10:40 519次阅读
电源滤波器参数

电源滤波器检验规范

电源滤波器一般都设计为只由电阻、电容及电感组成的被动滤波器,没有像晶体管之类的主动元件。右图是一个电...

发表于 2018-01-12 10:18 597次阅读
电源滤波器检验规范

电源滤波器分类及应用

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...

发表于 2018-01-12 09:46 244次阅读
电源滤波器分类及应用

电源滤波器型号及选型

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...

发表于 2018-01-12 09:05 302次阅读
电源滤波器型号及选型

利用多级滤波器来消除开关电源转换器的输出噪声

开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大的缺点...

发表于 2018-01-10 09:45 818次阅读
利用多级滤波器来消除开关电源转换器的输出噪声

滤波器发展与分类详解以及应用比例

1917年,美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪5...

发表于 2018-01-05 15:00 1250次阅读
滤波器发展与分类详解以及应用比例

提出一种方环形贴片滤波器结构 通过谐振器使滤波器...

提出了一种用阶梯型阻抗方形环谐振器构成的双模微带滤波器,该滤波器引入一个方形切角作为微扰,并采用输入...

发表于 2018-01-05 11:10 1051次阅读
提出一种方环形贴片滤波器结构 通过谐振器使滤波器...

图像其实是一种波,可以用波的算法处理图像

前几天读到一篇文章,它提到图像其实是一种波,可以用波的算法处理图像。我顿时有一种醍醐灌顶的感觉,从没...

发表于 2018-01-05 10:44 1374次阅读
图像其实是一种波,可以用波的算法处理图像

滤波器介绍_滤波器的应用及讨论

随着信息时代数字时代的到来,数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域,滤波器应用范围十分广泛...

发表于 2018-01-04 17:09 395次阅读
滤波器介绍_滤波器的应用及讨论

为什么会有工频干扰_工频干扰产生原因及解决方案

工频干扰可通过设计滤波器来进行有效的减少。本文介绍减少工频干扰的平滑滤波器、陷波器、带阻滤波器三种滤...

发表于 2018-01-04 16:03 2268次阅读
为什么会有工频干扰_工频干扰产生原因及解决方案

有源滤波器和无源滤波器原理和区别

滤波器是一种对信号的频率具有选择性的电路,其功能就是使特定频率范围内的信号通过,而组织其它频率信号通...

发表于 2017-12-25 14:52 1798次阅读
有源滤波器和无源滤波器原理和区别

解析滤波器的原理和作用

滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一,主要是用来作频率选择----让需要的频率信号通过而反射不需...

发表于 2017-12-22 10:42 1275次阅读
解析滤波器的原理和作用

均衡器的作用是什么

均衡器的全称是房间均衡器。在音响系统中有广泛的应用,但大多数场合,它并没有发挥应有的作用。是一种可以...

发表于 2017-12-20 10:27 825次阅读
均衡器的作用是什么

canny算子的语法原理分析

Canny算子Canny边缘检测算子是JohnF.Canny于1986年开发出来的一个多级边缘检测算...

发表于 2017-12-18 17:55 168次阅读
canny算子的语法原理分析

多模介质波导滤波器的设计过程简介

本文旨在介绍一种简单的介质波导双模滤波器设计方法,用以指导滤波器工程师设计基站介质波导滤波器。随着通...

发表于 2017-12-13 17:19 143次阅读
多模介质波导滤波器的设计过程简介

社交媒体的7条优化性建议详解

作为一台功能丰富的国际通用手机,目前可能需要过滤最多15个频带上的2G、3G和4G收发通路,此外还有...

发表于 2017-12-13 16:32 131次阅读
社交媒体的7条优化性建议详解

Avago的FBAR技术更进一步,有助于超薄手机...

Avago Technologies(安华高科技)日前宣布,在美国PCS(个人通信服务)和UMTS(...

发表于 2017-12-13 14:25 97次阅读
Avago的FBAR技术更进一步,有助于超薄手机...

安规电容的工作原理

安规电容是指电容器失效后,不会导致电击,不危及人身安全的安全电容器。安规电容通常只用于抗干扰电路中的...

发表于 2017-12-12 15:45 406次阅读
安规电容的工作原理

微带滤波器的设计与优化方案分析

微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器...

发表于 2017-12-12 07:51 278次阅读
微带滤波器的设计与优化方案分析

FIR滤波器工作原理及实现过程介绍

在现代电子系统中,到处都可以看到数字信号处理( DSP )的应用,从MP3播放器、数码相机到手机。D...

发表于 2017-12-12 02:40 86次阅读
FIR滤波器工作原理及实现过程介绍

前端设计的电路要求和权衡因素详解

为SAR ADC选择合适的放大器和RC滤波器可能很困难,特别是当应用不同于ADC数据手册的常规用途时...

发表于 2017-12-11 18:14 1652次阅读
前端设计的电路要求和权衡因素详解