電源濾波器基本知識

1、電源濾波器基本知識一、 術語定義1. 額定電壓EMI濾波器用在指定電源頻率的工作電壓（中國：250V, 50Hz,歐洲：230V,50Hz;美國：115V, 60Hz）2. 額定電流在額定電壓和指定溫度條件下（常為環(huán)境溫度40C） , EMI濾波器所允許的最大 連續(xù)工作電流（ Imax） 。 在其他環(huán)境溫度下的最大允許工作電流是環(huán)境溫度的函數(shù)，可用如下公式得出：3. 試驗電壓在EMI濾波器的指定端子之間和規(guī)定時間內施加的電壓。試驗電壓分為兩種，-種是加載在電源（或負載）端子之間，稱為線-線試驗電壓；另一種是加載在電源（或負載）任一端與接地端（或濾波器金屬外殼）之間，稱為線-地試驗電壓。4. 泄

2、漏電流EMI濾波器加載額定電壓后，斷開濾波器的接地端與電源安全地線的條件下，測 得接地端到電源（或負載）任一端間的電流，該值直接與接地電容的容量有關，可由如下公式得出：其中F 為工作頻率，C為接地電容的容量，V為線-地電壓5. 插入損耗是衡量濾波器效果的指標。指的是在一定條件下，EMI濾波器對干擾信號的衰減能力。 它用濾波器插入前信號源直接傳送給負載的功率和插入后傳送給負載的功率的對數(shù)來描述。在50Q系統(tǒng)內測試時，可用下式來表示：IL=20Lg（E0/E1）其中， IL- 插入損耗（單位：dB）EO-負載直接接到信號源上的電壓E1-插入濾波器后負載上的電壓6. 氣候等級指EMI濾波器的工作環(huán)境

3、等級，按IEC規(guī)定應按以下方式標注：XX/XXX/XX前 2 位數(shù)字代表濾波器的最低工作溫度中間數(shù)字代表濾波器的最高工作溫度后 2 位數(shù)字代表質量認定時在規(guī)定穩(wěn)態(tài)濕熱條件下的試驗天數(shù)7. 絕緣電阻絕緣電阻是指濾波器相線，中線對地之間的阻值。通常用專用絕緣電阻表測試。8. 電磁干擾（EMI）電磁干擾經常與無線電頻率干擾（RFI）交替使用。從技術上來說，EMI指的是 能量形式（電磁），然而RFI 指的是噪聲頻率的范圍。濾波器用以消除EMI 和RFI 中的多余電磁能。9. 頻率范圍 電磁能量的頻率帶寬常用赫茲（Hz,每秒循環(huán)次數(shù)），千赫（KHz,每秒循環(huán)千 次數(shù)）表示。電源濾波器的典型頻率范圍在 1

4、50kHz to 30MHz （超過30MHz即 為輻射）10. 阻抗失配為了達到更好的濾波效果，要使濾波器與它的源阻抗和負載阻抗失配。如圖所示。11. 工作頻率電源濾波器的工作頻率標稱值為 50/60Hz（中國、歐洲等為50Hz;北美為60Hz） 然而，電源濾波器在直流或400Hz的情況下工作，并不會損害其效力。、濾波器的作用1. 什么是射頻干擾（RFI）？RFI 是指產生在無線電通訊時，所用頻率范圍內的一種多余的電磁能。傳導現(xiàn)象的頻率范圍介于10kHz到30MHN同；輻射現(xiàn)象的頻率范圍介于 30MH冽1GHz問。2. 為何要關注RFI？之所以必須考慮RFI,基于兩點原因：（1）他們的產品必

5、須在其工作環(huán)境下正常運行， 然而該工作環(huán)境常常伴隨有嚴重的RFI。 （ 2） 他們的產品不能輻射RFI，以確保不干擾對健康及安全都至關重要的射頻（RF）通訊。法律已對可靠的RF通訊做出了規(guī)定，以確保電子設備的RFI 控制。3. 什么是 RFI 的傳播模式？RFI是通過輻射（電磁波在自由空間里）進行傳播的，并經信號線及AC電源系統(tǒng)進行傳導。輻射一將RFI從電子設備輻射出去的一種最主要的媒介是 AC電源線。由于AC 電源線的長度達到了數(shù)字設備中及開關電源的頻率對應波長的 1/4 ,這正好構成 了一支有效的天線。傳導一RFI在AC電源系統(tǒng)上是以兩種模式進行傳導的。共膜(不對稱) RFI是 在線-地(

6、L-G)及中性線-地(N-G)兩種路徑中出現(xiàn)，而差模(對稱) RFI則以 電壓形式出現(xiàn)在線-中性線(L-N)上。4. 什么是電源線干擾濾波器？隨著當今世界的迅速發(fā)展，越來越多的高功率電能產生了，與此同時越來越多的 低功率電能被用于數(shù)據的傳輸與處理，以致于產生了更多的影響，甚至破壞電子 設備的噪聲干擾。電源線干擾濾波器是一種主要的濾波手段，用以控制從電子設備進入(潛在的設備誤動作)和出來(對其他系統(tǒng)或RF通訊潛在的干擾)的RFI。 通過控制RFI導入電源插頭，電源線濾波器還大大抑制了RFI的輻射。電源線濾波器是一種以雙低通道濾波結構排列的、多通道網絡無源元件。一種網絡用于共模衰減，另一種用于差模

7、衰減。網絡在濾波器的“止頻帶”(通常在 10kHz以上)內提供RF能量衰減，而對通過的電流(50-60Hz)基本上不進行衰 減。5. 電源線干擾濾波器是如何進行工作的？作為無源、雙邊的網絡，電源線干擾濾波器具有復合的轉換特性，這種特性極大地取決于源及負載阻抗。轉換特性的量值說明了濾波器的衰減性能。然而，在電 源線環(huán)境中，源和負載阻抗是不確定的。因此工業(yè)上已有了驗證濾波器一致性的 標準做法：用50歐姆的阻性源及負載端測量衰減程度。該測量值定義為濾波器 的插入損耗()I.L. = 10 log * (P(l)(Ref)/P(l)這里P(l)(Ref)是從源轉化到負載的功率(不帶濾波器)；P(l)是

8、在源與負載間插入一個濾波器后的轉換功率。插入損耗還可用如下電壓或電流比的形式表示：.=20 log *(V(l)(Ref)/V(l) . = 20 log *(I(l)(Ref)/I(l)這里V(l)(Ref)及I(l)(Ref) 是無濾波器時的測得值，V(l)及I(l)是帶濾波器時的測得值。值得引起重視的插入損耗并不代表在電源線環(huán)境中，由濾波器提供的RFI衰減性能。在電源線環(huán)境中，源及負載阻抗的相對量值必須進行估計，并選擇適當?shù)臑V波結構，使在每個終端出現(xiàn)最大可能的阻抗不匹配。濾波器取決于終端阻抗的這 種性能，是“不匹配網絡”概念的基礎。6.如何進行傳導試驗？傳導試驗需要一個安靜的RF環(huán)境-一

9、個屏蔽罩殼-一個線阻抗穩(wěn)定網絡，和一個 RF電壓儀器(如調頻接收器或頻譜分析儀)。試驗的RF環(huán)境應至少低于所需規(guī)范限制的20dB,以便得出精確試驗結果。 需血線阻抗穩(wěn)簾網絡(LISN)來為電 源線輸入建立一個所要的源阻抗，由于該阻抗直接影響到測得的輻射等級，因此 是試驗程序的一個非常重要的部分。止匕外，測量接收器正確的寬帶也是試驗的一 個關鍵參數(shù)。三、濾波器參數(shù)和測試方法1. 什么是電源濾波器的重要規(guī)格參數(shù)？對供方或客戶來講，為了保證合格元件的使用不受干擾，采用同樣的技術來驗證電氣參數(shù)是相當重要的。必須清楚理解的三種參數(shù)是：高壓測試、泄漏電流和插入損耗。2. 如何測量插入損耗？ 最常見的設置是

10、使電源和阻性負載阻抗均為 50Q。插入損耗的測量最重要的一點是一致性，具體測試方法如下：使用頻譜分析儀，或調頻接收器或跟蹤發(fā)生器，在不帶濾波器時建立一個零dB參考點。然后插入濾波器，記錄在所需頻率范圍內提供的衰減。對于電源線濾波器，我們感興趣的是兩種不同模式的衰減：共模（CM干擾信號-相線（L）與地（E）和中線（N）與地（E）間的信號。即圖 5 中的 U1 和 U2。差模（DM干擾信號-相線（L）與中線（N）間的信號。即圖5中的U3由于電源濾波器既能抑制共模 EMI信號，又能抑制差模EMI信號，所以插入損耗也應有共模插入損耗和差模插入損耗。在測量共模插入損耗時，將濾波器電源端的L和N并在一起，

11、信號源接在電源端和接地端之間。同時濾波器負載端的L 和 N 也并在一起，接收機接在電源端和接地端之間，如圖6 所示。在測量差摸插入損耗時，要分別在信號源和接收機端接入不平衡- 平衡變換器和平衡 - 不平衡變換器，如圖7 所示。本手冊給出的共模和差模插入損耗是按上述規(guī)定測得的。還有其他插入損耗的測量方法，請參見相關資料。需要說明的是，本手冊提供的EMI濾波器的插入損耗與實際使用的濾波器的對干擾信號的衰減不會等同，有時還會相差甚遠。這是因為本手冊給出的插入損耗是在50Q系統(tǒng)內測得的，而實際應用時 EMI濾波器端接的阻抗不是50Q,這是產 生差別的根本原因。3. 插入損耗有何作用？標準插入損耗數(shù)據不

12、能精確地得出濾波器在設備中的性能，但是可以作為進料檢驗時驗證產品吻合性的重要手段。判斷標準為：以標準方式所測得的插入損耗必須滿足或超過樣本上的數(shù)據。也就是說， “典型”插入損耗數(shù)據是無意義的。您所測得的數(shù)據應為最小值。樣本上的大多數(shù)插入損耗數(shù)據是其能保證的最小值，可以測試此值，以說明元件的符合性。4. 什么是高壓測試高壓測試針對的是濾波器的電容組件及絕緣部分，它通過施加一個比正常運行電壓高許多的電壓來測試。高壓測試的目的在于確保該濾波器的安全及可靠性。所有主要的安全機構都需要對電源線濾波器進行高壓測試，另外還要求每個產品在生產時要進行高壓測試，以驗證線對地元件及絕緣體的整體性。每個濾波器都經過

13、兩次高壓測試：一次是在組裝過程中，一次是在裝成成品后。將高壓測試作為一種進料檢驗程序，需要全面地了解其使用及限制。高壓測試時電壓施加于每根線(對 VDE兩根線綁到一起)到地和線到線、線到 地電壓通常要高些。試驗電壓可以為 AC或DC DC電壓至少是AC電壓的倍。對進料檢驗試驗，我們建議使用每種濾波器說明頁上的 “試驗電壓”一欄所規(guī)定的值。根據國際安全標準的規(guī)定，試驗電壓的測試步驟為1 ) EMI 濾波器的負載端不接負載 2 ) 施加到濾波器規(guī)定端子之間的試驗電壓應按一定的速率，逐步升高并達到規(guī)定幅值3 ) 在規(guī)定時間內保持該電壓不變。在此過程中，濾波器不應該被擊穿。需要提請用戶注意的是：1 )

14、 這些電壓可能是致命的，請采用最安全的措施來保護試驗作業(yè)者。2 ) 不能在濾波器上重復多次施加試驗電壓，否則要損壞濾波器。本公司生產的EMI 濾波器在出廠時已全部進行了2 次試驗電壓的加載測試；3 ) 試驗電壓必須按一定的速率逐步升高，最終達到規(guī)定幅值。不能用直接加試電壓的方法來進行測試，即在很短的時間內把試驗電壓從零增加到規(guī)定幅值，會損壞濾波器。4 ) EMI 濾波器在質量鑒定時，施加的試驗電壓時間為 1 分鐘，而在生產檢測時，施加的試驗電壓5 ) 對線到線高壓測試：大多數(shù)濾波器具有一個泄漏電阻(典型值為100KQ到10MQ)來對線到線電容放電。要保證高壓測試儀跳閘點的設置高于泄漏電阻上流過

15、的電流：10mAffi常是一個安全值。6)三相EMI濾波器的試驗電壓的試驗方法同單相 EMI濾波器。5. 什么是泄漏電流泄漏電流是電源線濾波器的一個重要參數(shù)。它雖不是產品品質的一個函數(shù)，但卻是線對地電容值的一個直接函數(shù)。電容值越大，對共模電流的阻抗越小，共模干擾抑制越大。因此，泄漏電流是濾波器性能的一種指標，越高越好。安全機構要指定最大允許泄漏電流是為了限制預期的接地返回電流值。線對地電容對50Hz/60Hz電流提供了流向機殼的通道。只要設備接地，這些電流將在接地回路中流動，并不會造成危險。但是大家要知道，接地回路再可靠，也存在概率極小的失效，此時接地回路的溝通可能經過人體。為避免這種情況的發(fā)

16、生，最大泄漏電流參數(shù)必須要有限制，將接地返回電流限制為一安全值，典型為到。安全機構規(guī)定的限制是基于最終用戶設備的參數(shù)，如下表所示：國家規(guī)范對1級接地設備的限制USAUL1950,Canada,EuropeEN60950,由于泄漏電流的最大來源通常是電源線濾波器， 因此對濾波器本身，設置最大泄 漏電流限制時要非常謹慎。在工業(yè)上有一種傾向，就是規(guī)定最小泄漏電流，以符 合所有安規(guī)要求，通常為。這種規(guī)定不應隨意決定，因為允許一個較大的泄漏電 流可能使濾波器的成本降低、外形減小。EMI濾波器漏電流測量步驟如下：1） EMI濾波器的負載端不接負載。為了測試 安全，建議在電源端插入隔離變壓器。2）將單刀雙擲

17、開關S分別與濾波器的L和N端相連，在S和E端之間接毫安表。3）在EMI濾波器電源端加載額定 電壓，當S分別與L和N端接通時，從毫安表上可讀到2個漏電流數(shù)值，這兩個數(shù)值都必須小于規(guī)定的漏電流值。四、濾波器選擇和使用注意事項1 .如何選擇電源線干擾濾波器？有的顧客以為EMI濾波器的插入損耗越高越好，濾波網絡的級數(shù)越多越好。其實 這并不是選擇濾波器的正確方法。止匕外，級數(shù)越多的濾波網絡，價格越貴，體積 和重量也越大。其實選擇和評估電源線濾波器的唯一辦法是將其裝到設備上進行 試驗。正如上面所提到的濾波器，性能很大程度上取決于設備負載阻抗。而不能 單一從阻抗（50Q）插入損耗數(shù)據來推導，它是一項濾波元件

18、阻抗與設備阻抗的 復雜函數(shù)，其量值及相位在頻率范圍內有變化。濾波器選擇試驗所要求的傳導輻 射控制（FCC VDE及靈敏性控制的不同性能等級在設備上進行。2 .是不是所有具有相同電路及元件值的濾波網絡 ，性能都相同？所有具有相同電路及元件值的濾波網絡, 性能并不一樣. 元件值是在某一頻率( 通常為1KHz)時指定和測得的，而濾波器的性能是在整個頻率范圍內都需要的，而 不僅僅在元件測量時的頻率。元件的結構形式及接入濾波器的方法，對濾波器的性能都是相當重要的。3. 安裝對濾波器的性能重要嗎？安裝及接線對濾波器的性能影響較大。電源線濾波器最好安裝在設備的電源線輸入端。 濾波器是高頻信號的障礙，其作用決

19、不能因離散電容耦合電源輸入線與電源輸出線或受保護設備的任何其它導體而失效。在安裝電源濾波器時，要注意以下幾點：1) ) 電源濾波器的外殼與設備地之間必須有良好的電氣連接。不要把濾波器安裝在絕緣材料板或噴漆表面上，要安裝在金屬機殼上。還要避免使用長接地線，這樣會大大增加接地電感和電阻，從而嚴重降低濾波器的共模抑制性能。比較好的方法是：用金屬螺釘與彈簧(星行) 墊圈將濾波器的金屬屏蔽外殼牢牢固定在系統(tǒng)電源入口處的機殼上，或用銅編織麻花接地帶與地點相連。2) 在捆扎設備電纜時，嚴禁將濾波器的輸入輸出電纜捆扎在一起。因為這樣加劇了濾波器輸入輸出之間的電磁耦合，嚴重破壞濾波器對EMI信號的抑制能力。3)

20、 不要將濾波器安裝在設備屏蔽的內部。因為這樣，設備內部電路及元件上的EMI信號會因輻射在濾波器的端引線上生成 EMI信號而直接耦合到設備外面去,使設備屏蔽喪失對內部電路和元件產生的EMI 輻射的抑制。4) 建議利用設備原有的屏蔽，將濾波器的輸入輸出端有效的隔離開來，將濾波器輸入輸出端間可能存在的電磁耦合控制到最低程度。一般濾波器的殼體是接到所保護設備的框架或機殼上，線側導線應保持短小并與負載側導線很好地隔離。理想的隔離系統(tǒng)是壁裝濾波器，帶有進線插座。濾波器的建議安裝方式和注意事項如下：4. 阻抗失配推薦圖五、 濾波器的安全認證1. 為何要考慮安規(guī)要求？在AC電源系統(tǒng)中，所有元件包括電源濾波器，

21、都必須是安全的，沒有潛在的火災或電擊隱患。像UL CSA VDES些不同的安全機構規(guī)定的標準，為設計員提供了確定安全及可靠元件的指南。有這些安全機構認證標志的元件是按這些標準設計并制造。2. 濾波器的相關安規(guī)標準有哪些？1) IEC939-1 ：抑制射頻干擾整件濾波器第一部分: 總規(guī)范 (對應 GB/T15287GB15287-1994 2) IEC939-2:抑制射頻干擾整件濾波器第二部分：分規(guī)范 試驗方法的選擇和一般要求(對應 GB/T15288 GB15288-1994) 3) UL 1283：電磁干擾濾波器4 ) CSA ：電磁干擾濾波器5 ) CISPR 17：無源無線電干擾濾波器和

22、抑制元件抑制特性的測量方法產品類(對應GB7374 6) UL1414:無線電通信類設備的電容與干擾抑制器標準7 ) IEC335 1：家用或類似電器設備的安全 . 第一部分: 總規(guī)范 8 ) EN60939： 抑制射頻干擾整件濾波器9) EN60384-14：電子設備用固定電容器第 14 部分 : 抑制射頻干擾用固定電容器: 試驗方法的選擇和一般要求10) GB7343 10KHz-30MH無源無線電干擾濾波器和抑制元件抑 制特性的測量方法3. 安規(guī)認證的標記和對應的標準UL 認證UL 1283CSA認證CSASemko認證EN60939VDE1證EN60939電源濾波器的基本原理電源濾波器

23、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。電源濾波器的主要指標當我們選用電源濾波器時，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，最后是結構尺寸。由于濾波器內部一般是經過灌封處理的，因此環(huán)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(huán)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，許多廠家的電源濾波器也分為交流和直 流兩種。從原理上講，交流電源濾波器既可用在交流電源上，

24、也可在直流電源上 使用；但直流電源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，直流電源濾波器絕對不能用在交流的場合。 交流濾波器用在直流場合，從安全的角度看沒有問題，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(fā)生飽

25、和現(xiàn)象，使實際電感量減小。因此，確定濾波器的額定工作電流時， 要以設備的最大工作電流為準，確保濾波器在最大電流狀態(tài)下具有良好的性能， 否則當干擾在最大工作電流狀態(tài)下出現(xiàn)時，設備會受到干擾或傳導發(fā)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，插入損耗是最重要的指標。插入損耗分為差模插入損耗 和共模插入損耗。選用電源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(fā)射和傳導

26、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(fā)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(fā)射值最大包絡線（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。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，十有八九會失 敗。因為廠家產品樣本上的數(shù)據是在濾波器兩端阻抗為50Q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