EMI濾波器設(shè)計(jì)中的干擾特性和阻抗特性

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容性問(wèn)題成為電路設(shè)計(jì)工程師極為關(guān)注和棘手的問(wèn)題。 根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)，大家普遍認(rèn)為電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中最重要的也是最難解決的兩個(gè)項(xiàng)目就是傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。為了滿足傳導(dǎo)發(fā)射限制的要求，通常使用電磁干擾(EMI)濾波器來(lái)抑制電子產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲。但是怎么選擇一個(gè)現(xiàn)有的濾波器或者設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足需要的濾波器？工程師表現(xiàn)得很盲目，只有憑借經(jīng)驗(yàn)作嘗試。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用一個(gè)濾波器，如果不能滿足要求再重新修改設(shè)計(jì)或者換另一個(gè)新的濾波器。因此，要找到一個(gè)合適的EMI濾波器就成為一個(gè)費(fèi)時(shí)且高成本的任務(wù)。

電子系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾特性

解決問(wèn)題首先要了解電子系統(tǒng)產(chǎn)生的總干擾情況，需要抑制多少干擾電壓才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?共模干擾是多少，差模干擾是多少?只有明確了這些干擾特性我們才能根據(jù)實(shí)際的需要提出要求。

從被測(cè)物體的電流路徑來(lái)看，干擾信號(hào)回流路徑可能通過(guò)地線，或者通過(guò)其它電網(wǎng)，如圖1所示。通過(guò)地線的干擾電流在電源網(wǎng)上產(chǎn)生同相位的共模干擾電壓。通過(guò)其它線在兩根電源線上產(chǎn)生反相的差模干擾電壓。干擾電流的路徑如圖2所示。

圖1 干擾信號(hào)的回流路徑

圖2 a)差模干擾濾波和b)共模干擾濾波

通常有四種技術(shù)可進(jìn)行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實(shí)際使用中，經(jīng)常是混合使用其中的兩種，甚至多種技術(shù)。它們是：

正負(fù)極電源線之間添加電容，即X電容;

每根電源線和地線之間添加電容，即Y電容;

共模抑制(兩根電源線上的抑制線圈同向繞線);

差模抑制(每根電源線有它自己的抑制線圈)。

電容的作用是將高頻干擾電壓“短路”，另外，當(dāng)干擾信號(hào)頻率很高時(shí)，抑制線圈將產(chǎn)生很大的交流阻抗。圖2顯示了兩種濾波類型的結(jié)構(gòu)，其中，LISN是用于測(cè)量目的的線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。如果是共模問(wèn)題引起的干擾，X類型電容基本上沒(méi)有作用，因?yàn)閮删€上的干擾電壓是一樣的。因此，了解干擾類型對(duì)于選擇合理的電路結(jié)構(gòu)將起重要作用，并為解決問(wèn)題提供技術(shù)依據(jù)。

在標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室可得到設(shè)備的總干擾情況，但無(wú)法了解設(shè)備的共模干擾和差模干擾特性。為了在測(cè)量中分辨共?；蛘卟钅８蓴_信號(hào)，通用的儀器是很難實(shí)現(xiàn)的。使用專用的傳導(dǎo)測(cè)試儀，可獲得設(shè)備的總干擾、共模干擾和差模干擾。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)測(cè)試儀獲得的總干擾、共模干擾和差模干擾

電源輸入阻抗特性

濾波器的制造商給出的濾波器插損是在50W標(biāo)準(zhǔn)阻抗系統(tǒng)中的性能。眾所周知，電源的輸入阻抗隨著頻率的變化具有不連續(xù)性。阻抗的改變導(dǎo)致濾波器的插損特性產(chǎn)生很大的變化。

由圖4可見(jiàn)，在一個(gè)50W的系統(tǒng)中，100mH的濾波器提供約18dB的衰減，但是在一個(gè)500W系統(tǒng)中只提供約4dB的衰減。 同樣對(duì)于100nF電容器;在50W系統(tǒng)中，1MHz時(shí)大約23dB的衰減在5W系統(tǒng)中降至7dB。

上面的例子說(shuō)明，選擇一個(gè)具有很高插損的濾波器也不能很好抑制傳導(dǎo)噪聲的原因是，電源輸入端阻抗的影響。因此，設(shè)計(jì)者除了選擇一個(gè)合適的濾波器之外，還需要了解電源的阻抗特性、共模阻抗和差模阻抗。阻抗測(cè)試可以借助專用的阻抗測(cè)試儀或者傳導(dǎo)分析儀。一種濾波器的共模阻抗(a)和差模阻抗(b)的變化如圖5所示。

圖4 a)100uh電感的衰減 b)100nF電容器的衰減

圖5 a)共模阻抗和b)差模阻抗的變化

濾波器的設(shè)計(jì)

知道設(shè)備的干擾特性和輸入阻抗特性后，設(shè)計(jì)或者選擇一個(gè)濾波器就變得簡(jiǎn)單了。如果使用一個(gè)現(xiàn)成的濾波器，可以調(diào)用過(guò)去積累的濾波器數(shù)據(jù)庫(kù)，比對(duì)濾波器參數(shù)，找到一個(gè)合適的濾波器。如果沒(méi)有合適的或者想專門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)專用濾波器，可以借助專用的濾波器設(shè)計(jì)軟件。在確定一個(gè)濾波器模式后輸入濾波器一些簡(jiǎn)單的約束條件，設(shè)計(jì)軟件根據(jù)阻抗特性自動(dòng)計(jì)算出最合適的組件值，以及提供最合適的衰減。(如圖6所示)

圖6 一種由軟件設(shè)計(jì)的最佳濾波器

設(shè)計(jì)結(jié)果

在對(duì)某產(chǎn)品進(jìn)行了干擾特性和阻抗特性測(cè)試后，需要解決一個(gè)低于5MHz的低頻干擾問(wèn)題。專用濾波器設(shè)計(jì)軟件結(jié)合前面得到的測(cè)試數(shù)據(jù)給出了濾波器的元件參數(shù)：包括470nF的X電容器，2.2nF的Y電容器和15.1mH的共模電感。但是有經(jīng)驗(yàn)的濾波器設(shè)計(jì)人員認(rèn)為采用一個(gè)13.5mH共模電感的濾波器是足夠了。使用一個(gè)13.5mH包括額外高頻組件的濾波器的發(fā)射情況如圖7所示。

圖7 最小15mH的系統(tǒng)使用和18mH時(shí)的測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證軟件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將470nF、2.2nF和18mH的非定制的濾波器迅速連接到系統(tǒng)中，獲得中心頻率小于5MHz，并且無(wú)需高頻濾波器。結(jié)果清楚地表明，最小15mH的限制是合適的。

結(jié)語(yǔ)

EMI濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮干擾特性和阻抗特性，在阻抗測(cè)試和干擾特性測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)是精確濾波設(shè)計(jì)的唯一方法。