EMI滤波器设计专题.doc

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1、EMI濾波器設計專題（華南理工大學電力學院AndrewZhang）1、EMI濾波器基本概念電源線是干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑，通過電源線，電網的干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作，同樣設備產生的干擾也可能通過電源線傳到電網上，干擾其他設備的正常工作。因此，必須在設備的電源進線處加入EMI濾波器，這種濾波器是低通濾波器，它只允許設備正常工作頻率信號進入設備（一般來說就是工頻50Hz，60Hz或者中頻400Hz），而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。由此我們知道EMI的作用主要有兩個：a抑制交流電網中的高頻干擾對設備的影響；b抑制設備（本文主要指高頻開關電源）對交流電網的干擾。

2、2、干擾的分類一般我們常把干擾分為共模干擾和差模干擾兩大類。所謂共模干擾就是任何載流導體與參考地之間不希望有的電位差；而差模干擾則是任何兩個載流導體之間不希望有的電位差。這兩種干擾的來源可以從以下兩個方面進行考慮：2.1共模干擾的來源：架空導線載傳輸的過程中會受到周圍空間電磁環境的輻射，火線、中線和安全地上所感應的信號的幅值和相位幾乎是相等的，由於安全地線要和大地相連接，所以就形成了火線、中線和安全地之間的共模干擾。2.2差模干擾的來源：共用一條輸電線的不同設備，當其中的某一設備進行切換操作時，火線和中線之間會形成幅值大致相等而相位相反的信號，這種信號就是差模干擾。簡單地說，共模干

3、擾就是兩個都是進去，而差模干擾則是一進一出。3、EMI濾波器設計3.1EMI濾波器的典型結構EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號順利通過，而對高頻干擾有抑制作用。怎樣才能抑制這些高頻干擾信號呢？無非就是要在信號進入設備之前把它遏制，也就是說，在輸入電路部分對高頻干擾形成所謂的阻抗失配。在開關電源中常用的EMI濾波器的結構如圖1所示。圖1EMI濾波器的典型結構圖中的L就是共模電感，它是在同一個磁環上繞制兩個繞向相反，匝數相同的線圈所形成的，如圖2所示。它只對共模干擾有抑制作用，對差模干擾卻沒有抑制作用，這是為什麼呢？我們可以從物理的角度來解釋：圖2共模

4、電感（環形電感比較難畫，這是截來的圖片，電流和磁通都沒有畫上去，見諒！）當電網輸入共模干擾時，這兩種方向相同的縱向雜訊電流如圖2中的，由右手螺旋定則可知，兩個線圈產生的磁通（實線所示）順向串連磁通相加，電感呈現出高阻抗，阻止共模干擾進入開關電源。同時也阻止了開關電源所產生的干擾向電網擴散，以免污染交流電網。而差模干擾電流和在L1和L2中所產生的磁通如圖中和（虛線所示），它們反向串連，磁通相互抵消，感抗為零。差模干擾和工頻交流電在形式上是一樣的，所以共模電感對差模干擾和工頻交流有用信號都沒有影響。3.2EMI濾波器的性能指標任何一種產品都有它特定的性能指標，或者是客戶所期望的，或者是

5、某些標準所規定的。我們設計產品的技術目標就是滿足這些指標就可以了。所謂的“看菜吃飯，量體裁衣”。EMI濾波器最重要的技術指標是對干擾的抑制能力，常常用所謂的插入損耗（InsertionLoss）來表示，它的定義是：沒有接入濾波器時從干擾源傳輸到負載的功率P1和接入濾波器後從干擾源傳輸到負載的功率P2之比，用分貝（dB）表示。圖3EMI等效原理圖其中（1）所以：（2）由圖3（a）可知（3）圖3（b）是一個二埠網路，它的傳輸方程為（4）又因為有（5）由（2）－（5）式可知（6）所以（7）由（7）式可以看出，EMI濾波器的插入損耗與濾波網路的網路參量以及源端和負載端的阻抗有關。為避免濾除

6、有用信號,插損指標須謹慎提出。不論是軍用還是民用EMC標準,對設備或分系統的電源線傳導干擾電平都有明確的規定,預估或測試獲得的EMI傳導干擾電平和標準傳導干擾電平之間的差值即所需的EMI濾波器的最小插損。然而,對不同的單台設備都進行EMC測試,而後分析其傳導干擾特性,設計合乎要求的濾波器,這在實際工程中顯然是不可能的。事實上,國家標準中規定了電源濾波器插入損耗的測試方法。在標準測試條件下,一般軍用電源濾波器應滿足10kHz～30MHz範圍內插入損耗30～60dB。工程設計人員只需要根據實際情況選擇合適的濾波器。3.2EMI濾波器設計原理在圖3（b）中我們把濾波器等效成為一個而埠網路

7、，它的輸入阻抗為，輸出阻抗為，由信號傳輸理論可知，如果輸入端和輸出端的阻抗不相等（這就是前面所提及的阻抗失配），高頻信號就會在輸入端產生反射，定義其反射係數為：（8）顯然，和相差越大便越大，信號反射越大，高頻的干擾信號就越難通過。根據圖3（b）所示的二埠網路模型的阻抗表達方式（9）得到（10）這樣，通過調節網路參數,,,就可以在一定的範圍內使得阻抗失配。總的來說，濾波器的設計要遵循以下的原則：源內阻是高阻抗的，則濾波器的輸入阻抗就應該是低阻抗的，反之也同樣成立。4、E