模塊化EMI交流線路濾波器

經(jīng)驗豐富的設備設計人員早就知道，僅使用合規(guī)組件并不能保證最終產(chǎn)品的 EMC 合規(guī)性“通過”。原因多種多樣。例如，對設備 AC/DC 轉換器的一致性測試是在假設的 AC 線路阻抗、輸出負載、電纜的長度和布線以及部件相對于地的位置的特定條件下進行的。當使用內部安裝的 AC/DC 轉換器對最終產(chǎn)品進行測試時，所有這些條件都會發(fā)生變化，從而導致不同且通常更差的傳導 EMI 特征。來自其他組件的輻射 EMI 也可以在電源電纜上被拾取，從而增加傳導水平。

模塊化濾波器可以實現(xiàn)系統(tǒng) EMI 合規(guī)性

外部模塊化濾波器可以是解決方案，但有數(shù)百種可供選擇，哪一個是最佳選擇?讓我們首先看一下典型商用濾波器的內部電路，并考慮每個組件的作用(圖 1)。

圖 1： 這種典型的模塊化 EMI 濾波器使用 CX 電容器來衰減差模噪聲，并使用電感器-電容器組合來降低共模噪聲。

電容器 CX 可衰減因轉換器內電流的快速變化而從線路到中性線出現(xiàn)的差模噪聲、信號和尖峰。電容器將被評為 X1、X2 或 X3，因為它們能夠承受交流線路上的電壓瞬變。電感器 L 是一個共?；螂娏餮a償扼流圈，如圖所示具有兩個相控繞組。共模噪聲由轉換器內電壓的快速變化產(chǎn)生，從線路和中性線到接地，將扼流圈視為高阻抗，每個 CY 電容器將噪聲電流轉移到接地。通過扼流圈上兩個繞組的正常運行電流會在磁芯中引起磁場抵消，因此可以使用高電感值而不必擔心磁飽和。通常，L 在繞組之間的耦合不夠完美，因此會產(chǎn)生一些漏感，

雖然 CX 可以是實際范圍內的任何電容值，但兩個 CY 值受對地泄漏電流要求的限制。它們有 Y1、Y2、Y3 和 Y4 類型，額定工作電壓和瞬態(tài)電壓降低。通過 Y 電容器的泄漏電流是一個潛在問題，因為它們將安全屏障(線路和中性線接地)橋接起來。如果設備金屬件的保護接地連接出現(xiàn)故障，外殼會通過 Y 電容器“浮動”至線路電壓，并可能導致觸電。因此，這些 Y 電容器值被限制為允許流過外殼的電流不超過規(guī)定的電流，該量由用于特定應用環(huán)境的標準設定。限制可以從工業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)十毫安到心臟浮動醫(yī)療保健應用中的小于 10 μA 不等。

電阻器 R1 是一個高阻值電阻器(通常為 1 MΩ)，如果突然移除交流電源并且無法依靠負載將電荷排出，則用于對 CX 放電，從而在交流連接器引腳上留下潛在的危險電壓。針對 ITE 和媒體設備安全的 IEC 62368-1 等標準規(guī)定，對于 CX > 300 納法 (nF)，R1 應在兩秒后將電容器放電至低于 60 V，對于 CX < 300 nF，則允許更高的電壓。同樣，對于只有經(jīng)過培訓的人員才能使用的設備，允許的電壓限制更高。

不過，其他標準是不同的。例如，針對醫(yī)療設備的 IEC 60601-1 要求 1 秒后放電至低于 60 V，但如果 CX 低于 100 nF，則沒有要求。IEC 62368-1 等標準還要求電阻器能夠承受瞬態(tài)電壓，如果電阻器安裝在保險絲之前，電阻偏差不超過 10%。因此，電阻器 R1 將成為高規(guī)格部件。在某些應用中，正常條件下 R1 的功耗可能會限制其符合美國能源部 (DoE) 和歐洲 ErP 指令等機構規(guī)定的待機或空載損耗限制的機會。

圖 1中所示的保險絲可以包含在模塊化濾波器中，特別是面板安裝類型，例如流行的 IEC320-C14 類型(圖 2)。

圖 2： 諸如 IEC320-C14 之類的熔斷面板安裝 EMI 濾波器是流行的模塊化濾波器選項。

在商業(yè)應用中，線路中只有一根保險絲是正常的。如前所述，如果熔斷器元件符合標準，則可以簡化 R1 等下游組件的規(guī)格。某些應用，例如醫(yī)療設備和 II 類 IT，需要將線路和中性線都熔斷以防止意外連接反轉的可能性。在單熔斷器的情況下，連接反接會使火線不熔斷，并在發(fā)生從火線到保護接地的短路時依賴于電源開口中的上游熔斷器或斷路器。但這些上游設備的額定電流值可能很高，以保護多個負載的接線，并且不能保證在設備故障時快速打開，從而可能引發(fā)火災。然而，雙重熔斷確實有缺點，

選擇過濾器

過濾器的機械格式是選擇過程的自然起點。根據(jù)應用要求，機械變體可用作 IEC 入口，采用螺釘或卡入式安裝，可選擇開關和無、一個或兩個保險絲。IEC 入口類型的 C14 額定電流為 10 A，C20 額定電流為 16 A，機箱安裝部件的額定電流為 20 A 或更高。機箱安裝濾波器通常具有六面屏蔽以及直接固定到導電接地金屬制品，可提供非常有效的 EMI 衰減。

對于所有類型，都提供醫(yī)療版本，它省略了 Y 電容器以將泄漏電流降低到最大典型值 5 μA。這種省略必然意味著共模衰減被降低，并且可能需要在其他地方進行補償，例如通過級聯(lián)濾波器。

給定最低輸入電壓和負載功率因數(shù)，可以根據(jù)負載功率要求輕松計算濾波器的額定電流需求。例如，在 90 VAC 時功率因數(shù)為 0.9 的濾波器上的負載將消耗 200 W/(0.9 × 90 VAC) = 2.47 A 的電流。在這種情況下，額定 3 A 的濾波器可以選擇。

選擇濾波器所需的衰減最好通過在未安裝濾波器的情況下測量系統(tǒng)性能來完成，然后計算外部濾波器需要額外的多少才能滿足規(guī)格。濾波器數(shù)據(jù)表中的衰減曲線將指示濾波器性能，但請記住數(shù)據(jù)表性能是在指定的測試條件下，通常為 50-Ω 源阻抗和負載阻抗。盡管可以使用線路阻抗穩(wěn)定器網(wǎng)絡 (LISN) 對交流電源進行標準化，但應用負載可能與數(shù)據(jù)表中的測試條件有很大不同。

與 AC/DC 電源中的內部濾波器級聯(lián)的濾波器模塊也可能導致意外結果，發(fā)生潛在的諧振，甚至可能導致關鍵頻率下的 EMI 放大。例如，EMI 圖取自 XP Power 的典型 AC/DC 轉換器，部件為 PBR500PS12B，在 230 VAC 和 180 W 下運行，如圖 3所示。該圖顯示了與準峰值檢測的 EN 55032 曲線 B 排放限制線的良好合規(guī)性。然后在交流線路中插入一個濾波器，即 XP Power FCSS06SFR，其衰減特性如圖4所示。虛線為差模，實線為共模衰減。圖 5給出了總體組合結果。

圖 3： 此帶有內部濾波器的 AC/DC 電源的 EMI 圖顯示了良好的輻射限制合規(guī)性。

圖 4： 模塊化濾波器類型 XP FCSS06SFR 的 EMI 圖顯示了差模和共模衰減。

圖 5： 添加了圖 4 的外部濾波器的圖 3 的 AC/DC 電源顯示 10 MHz 以上的總衰減比預期的要小，這表明需要確認測量。

可以看出，在大約 1 MHz 時，濾波器衰減使發(fā)射量下降了預期的量，但在 10 MHz 及以上，改進與預期不符，這表明模塊化濾波器沒有“看到”50 Ω，因為在這些頻率上終止。它的衰減比預期的要低。這一結果證實了進行實際測量以確認合規(guī)性的必要性。

審核編輯：湯梓紅