電磁干擾濾波技術


1.電源線上的干擾
如果用示波器觀察一下電力電網，會發現50Hz的電壓上疊加著各種各樣的干擾電壓，既有mV級的連續干擾，也有數百V甚至上千V的瞬態干擾。這些干擾對電網中的設備會產生不同程度的影響。這些干擾是從哪里來的呢？
我們可以將這些干擾分為自然干擾源和人為干擾源。典型的自然干擾源是雷電，空中發生雷電時，會伴隨著強大的電磁場，電磁場會在空中的導體上感應出很高的電壓，這就是干擾。雷電產生的干擾是如此之大，不僅能導致設備誤動作甚至造成電路損壞。人為干擾源可以分為以下兩種：
●功能性能量發射設備：這類設備靠發射能量工作，如無線電設備、雷達等，他們輻射到空間的能量會感應到電力線上，形成干擾。另外，這些設備也會通過電源線直接將能量泄漏到電網上。
●非功能性發射設備：這類設備不依靠發射能量實現特定功能。但它們工作時，會向外發射額外的電磁能量。與工業、醫學上使用的高頻儀器、信息處理設備、含馬達的家用電器、使用可控硅的家用電器、開關電源等。這些設備在工作時會向空間和電網上發射電磁能量。
以往，當設備在干擾的作用下發生誤動作時，人們往往會將注意力集中到提高設備抗干擾性上，想方設法使設備能夠在干擾環境中正常工作。但這不是一個徹底的解決辦法。就象人們意識到汽車尾氣造成的污染會導致污染，為了能夠生存，雖然可以上街時戴上口罩，但這不是根本的解決辦法。徹底的方法應該是控制尾氣排放，形成一個良好的生存環境。
同樣，對于日趨嚴重的電磁污染，根本的解決方法是限制設備的電磁泄漏。另一方面，對于設備在電磁干擾環境中正常工作的能力也需要一個定量的規定，這就導致了電磁兼容標準的產生。國家現在已將電磁兼容標準作為強制性標準實施，不滿足這些標準的產品不能銷售。
電磁兼容標準（GB9254,GB4343,GJB151A等）的內容：
1. 干擾發射：輻射發射；傳導發射
2. 敏 感 度：輻射敏感度；傳導敏感度；靜電放電敏感度
電磁兼容標準對設備提出兩個方面的要求，首先不能向空間環境發射過強的電磁能量，其次要對環境中的電磁干擾有一定的耐受能力。

電磁干擾濾波技術
2.電源線濾波器的作用
很多人認為電源線濾波器的作用是使設備能夠電磁兼容標準中對傳導發射傳導敏感度的要求，但這是不**的；后面將看到電源線濾波器對抑制設備產生較強的輻射干擾方面也很重要。嚴格的說，電源線濾波器的作用是防止設備本身產生的電磁干擾進入電源線，同時防止電源線上的干擾進入設備。電源線濾波器是一種低通濾波器，它允許直流或50Hz的工作電流通過，而不允許頻率較高的電磁干擾電流通過。。電源線濾波器是雙向的，它既能防止電網上的干擾進入設備，對設備產生不佳影響，使設備滿足傳導敏感度的要求；又能防止設備內的電磁干擾通過電通過電源線傳到電網上，使設備滿足傳導發射的要求。
能夠產生較強干擾的設備和對外界干擾敏感的的設備都要使用電源線濾波器。能夠產生強干擾的的設備有：含有脈沖電路（微處理器）的設備、使用開關電源設備、使用可控硅設備、變頻調速設備、含有馬達的設備等。敏感電路如：使用微處理器的設備、小信號模擬電路等。


3.電源線上干擾的類型
電源線上的干擾電流按照其流動路徑分為兩類，一類是差模干擾電流，另一類是共模干擾電流。差模干擾電流是在火線和零線之間流動的干擾電流，共模干擾是在火線、零線與大地（或其它參考物體）之間流動的干擾電流，由于這兩種干擾的抑制方式不同，因此正確辨認干擾的類型是實施正確濾波方法的前提。區分干擾電流是差模還是共?？梢詮娜齻€方面進行判斷：
a. 從干擾源判斷：
雷電、設備附近發生的電弧、設備附近的電臺和其它大功率輻射裝置在電源線上產生的干擾是共模干擾；另外，如果發現電源線上的干擾是來自機箱內的線路板或其它電纜，則為共模干擾；這是因為通過空間感應在火線和零線上的干擾電流是同相位的。在同一電力線上工作的馬達、開關電源、可控硅等會在電源線上產生差模干擾。
b. 從頻率上判斷
差模干擾的頻率主要集中在1MHz以下，而共模干擾的頻率一般分布在1MHz以上。這是由于共模干擾是通過空間感應到電源線上的，這種感應只有在干擾信號頻率很高時才容易發生。
c. 用儀器測量
如果有一臺頻譜分析儀和一只電流卡鉗就可以進行測量。電流卡鉗實際上是一個繞在磁芯上的線圈，當被測電纜穿過卡鉗時，就形成了一個變壓器；被測導體相當于變壓器初級，卡鉗中的線圈相當于變壓器次級，電纜上的信號會耦合到卡鉗中的線圈上，用頻譜分析儀可以檢測出來。
判斷步驟如下：
● 步驟一：將卡鉗卡在火線或零線上，記錄下某個感興趣頻率的干擾信號的強度l（f1）
●步驟二:將卡鉗同時卡住火線或零線，若觀察不到l（f1），則l（f1）完全是差模干擾，其中不含共模成份；，若還能觀察到l（f1），則l（f1）中包含共模干擾成份，要判斷是否僅含共模成份，需進行步驟三的判別。
●步驟三：將卡鉗分別卡住火線或零線，若兩根線上測得的l（f1）的幅度相同，則l（f1）僅含共模成份；若不相同，則l（f1）中還包含差模成份。


4. 電源線濾波器的基本原理
電源線濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構成，它允許直流或50Hz電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此電源濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。
地線一般是金屬機箱，當設備機箱不是金屬材料時，濾波器的地線一般與**地相連；但由于**地的阻抗很大，濾波器對共模干擾的衰減效果將大大降低。

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5. 電源線濾波器的主要指標
當我們選用電源線濾波器時，應主要考慮三個方面的指標；首先是電壓/電流，其次是插入損耗，*后是結構尺寸。由于濾波器內部一般是經過灌封處理的，因此環境特性不是主要問題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對電源濾波器的環境特性有一定的影響。
a）電壓、電流對使用效果的影響
電源有交流直流之分，與此相對應，許多廠家的電源線濾波器也分為交流和直流兩種。從原理上講，交流電源線濾波器既可用在交流電源上，也可在直流電源上使用；但直流電源線濾波器不能用在交流的場合，這主要因為直流濾波器中的電容器的耐壓較低，并且有可能其交流損耗較大，導致過熱。即使直流濾波器耐壓沒有問題，由于直流濾波器中使用了容量較大的共模濾波電容器，如果在交流的場合會產生漏電流超標的問題。因此，直流電源線濾波器優良不能用在交流的場合。交流濾波器用在直流場合，從**的角度看沒有問題，但要付出成本和體積的代價；在樣機階段，如果手頭正好有交流濾波器，可以代替直流濾波器。
當電源線濾波器的工作電流超過額定電流時，不僅會造成濾波器過熱，而且會導致濾波器的低頻濾波性能降低。這是因為濾波器中的電感在較大電流的情況下，磁芯會發生飽和現象，使實際電感量減小。因此，確定濾波器的額定工作電流時，要以設備的*大工作電流為準，確保濾波器在*大電流狀態下具有良好的性能，否則當干擾在*大工作電流狀態下出現時，設備會受到干擾或傳導發射超標。
在確定濾波器的額定電流時，要留有一定的余量；特別是人們習慣上對交流電稱“有效值”，而不是交流電的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般濾波器的額定電流值應取實際電流值的1.5倍。
b) 插入損耗對使用效果的影響：
從抑制干擾的角度考慮，插入損耗是*重要的指標。插入損耗分為差模插入損耗和共模插入損耗。


6.影響電源線濾波器外形尺寸的因素
由于許多設備在設計之出并沒有考慮干擾濾波的問題，因此安裝濾波器的空間往往是一個很棘手的問題、。即使在設計時考慮到了電磁兼容的問題，人們往往會認為電源線濾波器是一個可有可無的選裝件，不愿意提供較大的空間。由此造成年人們在選用濾波器時，經常將濾波器的體積作為一項重要的指標來考慮，總是希望濾波器的體積越小越好。
為什么兩個濾波器的額定電流都是10A，而它們的體積會相差很多？你會毫不猶豫的選擇體積較小的一種？濾波器的體積主要由濾波電路中的電感所決定，電感線圈的體積越大，濾波器的體積越大。以下因素影響電感的體積：
a)額定電流：當濾波器的額定工作電流較大時，電感線圈會使用較粗的導線繞制，這自然會增加體積；另外，為防止磁芯發生磁飽和現象，往往要使用體積較大的磁芯，這會增加體積；
b)低頻特性：當需要濾波的干擾信號頻率較低時，共模扼流圈和差模扼流圈的電感量都需要很大，導致電感元件的體積增加。例如開關電源的頻率越低，則需要濾波器中的電感量越大；
表-1 給出了濾波器中一共模電感與電磁兼容標準和開關電源頻率的關系。
通過以上的分析，你是否還在刻意的追求濾波器的體積??？體積小的濾波器已使用了體積小的電感元件，它的電感為什么能??？是犧牲了電流容量，還是犧牲了低頻特性？付出這些代價后，是否還能滿足*核心的要求——抑制電磁干擾？
另外，當濾波器的體積較小時，內部器件一定靠得很近，這會降低濾波器的高頻濾波性能，導致設備的輻射發射超標。這在實際使用中要特別注意
表-1
電磁兼容標準
共模電感的電感量（mH）
電磁干擾濾波技術
7.選用電源線濾波器是怎樣確定所需要的插入損耗
首先在設備的電源入口處不安裝濾波器，對設備進行傳導發射和傳導敏感度的測量，并與要滿足的標準進行比較，看兩者之間相差多少分貝，濾波器的作用是彌補上這個差距。以抑制設備的傳導發射為例，給出了確定濾波器插入損耗的過程。首先將設備的傳導發射值*大包絡線（a）與標準給出的限制值線（b）相比較，計算其差值得到需要的插入損耗值（c）。由于電源線濾波器是低通濾波器將插入損耗線（c）變換為低通濾波器插入損耗的形式（d），（d）就是濾波器需要的插入損耗值。
注意: （d）并不是低頻濾波器的特性，而是一個帶阻濾波器的特性，這是考慮到實際濾波器的非理想性（見下一節）。
但如果從廠家的產品樣本上選擇插入損耗值滿足（d）的濾波器，會失敗。因為廠家產品樣本上的數據是在濾波器兩端阻抗為50Ω的條件下測得的，而實際使用條件并不是這樣。因此在實際使用條件下，濾波器的插入損耗會有所降低。為了保險起見，在從產品樣本中選擇濾波器時，應加20dB的余量，這就得到了（e）。從樣本上選擇濾波器，其插入損耗應滿足（e）的要求。

8.實際電源線濾波器與理想濾波器的差距

理想的電源線濾波器是低通濾波器，但實際的電源線濾波器通常是帶阻濾波器。造成這種差別的原因是電容器和電感器的非理想性。
電容器的引線是有電感的，而電感線圈上又存在著寄生電容，盡管這些電感、電容很小，但當頻率較高時，它們的影響是不能忽略的。因此由實際電感、電容器構成的低通濾波器電路在頻率較高時，就變成了一個帶阻濾波器電路。
此外，高頻時器件之間的耦合也是造成濾波器在高頻區間插入損耗減小的一個原因。從圖可以看到，器件之間的距離對濾波器的高頻性能有很大的影響。這種影響在1MHz時就已經很明顯了。
因此，即使濾波器的電路結構完全相同，由于器件的特性不同、器件的安裝方式的不同、內部結構的不同，它們的高頻性能會差很多。濾波器的電路結構僅決定了濾波器的低頻特性。要想提高濾波器的高頻性能，生產時需要從許多方面注意制作工藝，如選用電感小的電容器、制作寄生電容小的電感、焊接時電容器的引線盡量短、在內部采取適當的隔離等。