基于一种抑制传导型电磁干扰的滤波器电路设计

现在生产的所有电子设备都包含电磁干扰滤波电路。同样，所有开关型电源都有内部的电磁干扰滤波器。但是，在有些环境中，这些电子器件的电磁干扰滤波器需要辅助滤波器，以便满足更加苛刻的电噪声管制或者保护器件免受过多的外部噪声源干扰。

定义噪声

电磁干扰可以是传导型的电磁干扰，也就是说干扰噪声沿着电导体、电线、印刷电路的线路或者变压器、电感、电容、半导体以及电阻器等电子元件传输。

电噪声也可以是辐射型电磁干扰（RFI），它像磁场或无线电波一样通过空气或自由空间传输。辐射性电磁干扰通常是由提供金属屏蔽的方法来控制的，金属屏蔽包含设备外壳内的磁场或无线电波。

满足电磁兼容性（EMC）标准

使用电磁干扰滤波电路是为了使最终产品满足适用的电磁兼容性标准。被引用最多的电磁兼容性标准是适用于IT设备的EN55022，适用于工业设备的EN55011以及在美国国内适用于商品或工业设备的FCC的A级标准，或者适用于住宅设备的FFC的B级标准。

FCC的B级标准要比A级标准更加严格、限制也更多。对于大部分此类标准，传导型电磁干扰频率范围通常被定义在150kHz～30MHz之间，正如频谱分析仪的测量结果。在有些情况下，这个范围的下限会低至10kHz。与之形成对比的是，辐射型电磁干扰通常定义在30MHz～1GHz范围内。

电磁干扰源

大部分电气和电子设备都会产生电磁干扰，而且会受电磁干扰影响。它无处不在，其中包含交流电动机、荧光灯/镇流器、调光器、微波炉、微处理器以及开关型电源。

在开关型电源中，高交流电压将在50kHz～1MHz的较高频率范围内被截断或转换。这种高速的开关过程是开关型电源所固有的，与线性电源相比，它提高了效率并减小了体积。

但是，这会产生一种副作用，即这种开关会产生有害的电磁干扰。事实上，开关型电源中大部分传导型电磁干扰来源于主开关MOSFET、晶体管以及输出整流器。

无论是在电源还是在电子设备的内部，保持内部产生的噪声不向外泄漏以及防止外部交流线路噪声进入设备，这正是电磁干扰滤波器的功能。电磁干扰滤波器通常由无源电子元件的网络组成，这些元件包括电容和电感，它们组成LC电路。

因为有害的电磁干扰的频率要比正常信号频率高得多，所以电磁干扰滤波器是通过选择性地阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。基本上，电磁干扰滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流线路频率通过，同时它还是一个高频截止器件。

电磁干扰滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。最终结果是，电磁干扰滤波器显著降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。

共模和差模噪声

传导型电磁干扰主要分为两种类型：共模噪声（CMN）以及差模噪声（DMN）。共模噪声又称为非对称噪声或线路对地的噪声，在交流输入的两端（输电线和中线）都存在这种噪声，两者对地的相位保持同相。

共模噪声的电流在两个输电线上以相同的方向流动并通过地线返回。共模噪声可以通过在电磁干扰滤波器中放置与每条输电线串联的电感并在两个输电线和地之间使用Y电容进行连接来予以抑制。

差模噪声又称为正常型、对称噪声或线路间噪声，它存在于交流线路和中性导线中，二者相位差为180°。差模噪声的电流沿着一条交流线流出，并沿着另一条交流线返回。在地线中不存在差模噪声电流。

差模噪声可以通过在电磁干扰滤波器中使用X电容进行抑制，电容连接在输电线（输电线和中线）之间，对差模信号起到高频分流的作用。在差模噪声非常大的情况下，可能需要增加差模抑制电感。有些混合型电感所包含的线圈可以同时抑制共模和差模噪声。

寄生噪声

寄生噪声与电路中意外产生或传输的电噪声（共模噪声和差模噪声）有关。例如，安装在PCB上的开关型半导体器件或带有细小绝缘体的散热片可能会包含少量的寄生或杂散电容元件。

这些在高频处被忽视的杂散电容元件，或者其带有非常快速的开关脉冲上升和下降时间，会促进寄生噪声向电路或系统中其他部分的传输和耦合。这一点适用于所有的电子元件。

例如，在变压器的线圈之间存在无法完全消除的少量电容元件。同样，在电容和印刷电路的线路内部，在高频处会存在很小的电感元件，它们会导致有害的寄生噪声在点与点之间传播。寄生噪声是开关型电源以及许多电子OEM产品中共模和差模噪声的一种主要形成因素。

图1 原理图

这张原理图显示了一种用于抑制传导型电磁干扰噪声的典型电磁干扰滤波器。在图1中，共模噪声是通过使用双重缠绕的环形电感来进行抑制的（LCM1和LCM2）。这些电感在单个铁芯上的缠绕方式使得它们对每条交流电线上的同相共模噪声表现出很高的阻抗。此外，Y电容（CY1和CY2）将高频共模噪声分流或分路到地。

每条交流电线上的差模噪声是通过2个X电容（CX1和CX2）来进行抑制的，这两个电容趋向于将交流输电线和中线之间存在的非同步高频差模噪声中和。在供电切断之后，这些电容将通过输入电阻进行放电。

需要额外滤波的情况

虽然所有交流或直流电源都带有符合各种EMC标准的内部电磁干扰滤波器，但是有些情况下，使用这些电源的电路或系统其所产生的电噪声远远超过滤波器自身的承受能力。在其他情况中，如果多个供电电源使用相同的交流电源，那么每个电源的内部电磁干扰滤波器所包含的或没有滤除的少量噪声会产生叠加，使噪声超过可以承受的范围。

此外，有时进入供电电源的交流输电线带有很多的噪声，因此需要额外的电磁干扰滤波器。这种输入噪声可能以能量的尖峰或猝发脉冲形式存在。它可能是自然原因引起的，如雷雨，也可能是人为产生的，如所操作的某个工业设备含有大型的电动机、制动器、螺线管等。

在以上所有情况中，可能需要安装外部或辅助电磁干扰滤波器，以便将电噪声降低到可以接受的等级。这些电磁干扰的考虑事项适用于所有电子产品或系统的设计和安装。

标准的外部电磁干扰滤波器通常带有单级LC电路，类似于图1所示电路。较高性能的电磁干扰滤波可能需要两级LC电路。此外，如果来自电动机或电击的电尖峰会构成潜在威胁，就应该使用带有高电压脉冲衰减功能的电磁干扰滤波器。

电磁干扰滤波器规格

在选择电磁干扰滤波器时，必须考虑许多规格和额定值。其中包括外壳大小、I/O连接、装配类型、安全部门许可、工作电压、工作电流（交流或直流安培）、泄露电流、隔离电阻、能承受的测试电压、高压脉冲或尖峰衰减、工作温度范围、直流电阻以及插入损耗。

对于医疗应用而言，总装配安装后的泄漏电流以及可承受的测试电压对于满足患者安全有关的EMC需求是非常重要的参数。

这张插入损耗图显示了高性能电磁干扰滤波器中衰减随频率的变化。

电磁干扰滤波器的插入损耗信息如图2所示，通常以图表、图形或表格的方式给出，它显示了电磁干扰滤波器在工作范围内衰减或抑制传导型差模和共模噪声的性能。

图2 插入损耗图

电磁兼容性测试

如上所述，大多数用于传导型电磁干扰辐射的EMC标准中所指定的常用频率范围都是150kHz～30MHz。为了确定某个电子器件满足指定标准的限制，必须使用频谱分析仪和线性阻抗稳定网络（LISN）进行测试。

交流电源是通过LISN连接到待测设备的。LISN将测量阻抗标准化为50Ω并提供了到频谱分析仪的隔离RF输出，后者提供了来自设备的传导发射的图形。
来源：TDK-Lambda 公司