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电源滤波器

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  电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又名“电源EMI滤波器”,或是“EMI电源滤波器”,一种无源双向网络,它的一端是电源,另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络:电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大,对电磁干扰的衰减就越有效。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。

  就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。电源滤波器的功能就是通过在电源线中接入电源滤波器,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。

  利用电源滤波器的这个特性,可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波,变成一个特定频率的正弦波。

  大功率电源的滤波器如Satons、UBS、变频器等将会产生大量谐波电流,这类滤波器需采用有源电力滤波器APF。APF可对2~50次谐波电流进行滤除。

  此两种都是不正确的安装方式,问题的本质在于,滤波器的输入端电线和它的输出端电线之间存在有明显的电磁耦合路径。这样一来,存在于滤波器某一端的EMI信号会逃脱滤波器对它的抑制,不经过滤波器的衰减而直接耦合到滤波器的另一端去。因此滤波器输入与输出先需有效分开。

  另外,如上述两种把电源滤波器都是安装在设备屏蔽的内部,设备内部电路及元件上的EMI 信号会因辐射在滤波器的(电源)端引线上生成EMI 信号而直接耦合到设备外面去,使设备屏蔽丧失对内部元件和电路产生的EMI 辐射的抑制。当然,如果滤波器(电源)上存在有EMI 信号,也会因辐射而耦合到设备内部的元件和电路上,从而破坏滤波器和屏蔽对EMI 信号的抑制作用。所以起不到效果。

  一般来说,在电子设备或系统内安装电源滤波器时要注意的是,在捆扎设备电缆时,千万不能把滤波器(电源)端和(负载)端的电线捆扎在一起,因为这无疑加剧了滤波器输入输出端之间的电磁耦合,严重破坏了滤波器和设备屏蔽对EMI 信号的抑制能力。

  因为过长的接地线意味着大大增加接地电感和电阻,它会严重破坏滤波器的共模抑制能力。较好方法是,用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽牢牢地固定在设备电源入口处的机壳上。

  电源滤波器的输入、输出连接线以选用屏蔽双绞线为佳,它可有效消除部分高频干扰信号。

  1)发射(Emissions):是要将由设备产生,影响电源或其他设备的噪声降到法规(例如FCC part 15)允许值以下,例如由开关电源产生的噪声。

  2)抗扰(Immunity):是要将进入设备的噪声降低到不会使设备出现异常动作的程度,例如用在广播电台发射设备中的仪器。

  1)共模:在二条(或多条)电源线都相同的噪声,可视为电源线)差模:电源线和电源线之间的噪声。

  同一个电源滤波器对于共模噪声及差模噪声的抑制能力会有所不同,一般会用频率对应抑制量(以分贝表示)的频谱来说明。

  发射(Emissions):是要将由设备产生,影响电源或其他设备的噪声降到法规(例如FCC part 15)允许值以下,例如由开关电源产生的噪声。

  抗扰(Immunity): 是要将进入设备的噪声降低到不会使设备出现异常动作的程度,例如用在广播电台发射设备中的仪器。

  同一个电源滤波器对于共模噪声及差模噪声的抑制能力会有所不同,一般会用频率对应抑制量(以分贝表示)的频谱来说明。

  电源滤波器一般都设计为只由电阻、电容及电感组成的被动滤波器,没有像晶体管之类的主动元件。右图是一个电源滤波器的例子,电源滤波器的上方接电源,电源端有一个共模电感,也就是电源的二条线依同一个方向绕在铁心上,电源线上若有共模讯号,其在共模电感产生的磁场会相加,因此有较大的阻抗,而差模讯号在共模电感产生的磁场会互相抵消,因此可以流过共模电感。电源流过的电流主要是共模的,但上面噪声也可能会以差模的形式出现,若要抑制差模噪声,需要另外使用差模电感,或是各相有个别的电感器。

  由于Y电容提高会使电器的漏电流增加,而电器的漏电流有其规定范围,因此Y电容不能太大,一般都会比X电容要小。

  X电容和Y电容属于安规电容,即其失效后不会造成电击,也不会影响人身安全。二者都有自我复原(self-healing)作用,会使局部短路的部份恢复原来的绝缘状态。

  在实验测试过程中,我们常遇到这样的情况:虽然设计工程师在设备电源线上接了电源滤波器,但是该设备还是不能通过传导骚扰电压发射测试,工程师怀疑滤波器的滤波效果不好,不断更换滤波器,仍不能得到理想的效果。

  对于第一种情况,我们可以通过在骚扰源处采取措施,降低骚扰的强度,或者增加电源滤波器的阶数,提高滤波器对骚扰的抑制能力来解决。对于第二种情况,除了滤波器自身性能不好以外,滤波器的安装方式对它的性能影响很大。这一点往往是被设计工程师忽视的。在很多测试中,我们通过更改滤波器的安装方式就能使设备顺利通过测试。下面是一些常见的滤波器错误安装方式对滤波器性能影响的实例。

  许多设备的电源线进入机箱后,经过很长的导线才接到滤波器的输入端。例如,电源线从机箱后面板输入,走行到前面板的电源开关,又回到后面板接到滤波器。或者滤波器的安装位置距离电源线入口较远,造成引线 电源线过长示意图

  由于电源入口到滤波器输入端的引线过长,设备产生的电磁骚扰通过电容性或电感性耦合,重新耦合到电源线上,而且骚扰信号的频率越高,耦合越强,造成实验失败。

  有的工程师为了使机箱内部的走线美观,常常把线缆捆扎在一起,这对电源线是不允许的。如果把电源滤波器的输入输出线平行走线或捆扎在一起,由于平行传输线之间存在分布电容,这种走线方式相当于在滤波器的输入输出线之间并接了一个电容,为骚扰信号提供了一条绕过滤波器的路径,导致滤波器的性能大幅下降,频率很高时甚至失效(如图2所示)。等效电容的大小与导线距离成反比,与平行走线的长度成正比。等效电容越大,对滤波器性能的影响越大。

  这种情况也比较普遍。许多工程师安装滤波器时,滤波器的壳体和机箱之间搭接不良(有绝缘漆);同时,使用的接地线较长,这将导致滤波器的高频特性变坏,降低滤波性能。由于接地线较长,在高频时导线的分布电感不能忽视,如果滤波器搭接良好,干扰信号可以通过壳体直接接地。如果滤波器的壳体和机箱之间搭接不良,相当于滤波器的壳体(地)与机箱之间存在一个分布电容,这将导致滤波器高频时接地阻抗较大,尤其在分布电感和分布电容谐振的频率附近,接地阻抗趋于无穷。滤波器接地不良对滤波器性能的影响如图3所示。

  从图3中可以看到,由于滤波器接地不良,接地阻抗较大,有一部分骚扰信号能通过滤波器。为了解决搭接不良,应把机箱上的绝缘漆刮掉,保证滤波器壳体和机箱有良好的电气连接。

  在这种安装方式下,滤波器的壳体和机壳接触良好,堵住电源线在机箱上的开口,提高了机箱的屏蔽性能;另外,滤波器的输入输出线之间有机箱屏蔽相隔离,消除了输入输出线之间的骚扰耦合,保证滤波器的滤波性能。

  对于Class I(有接地的设备)而言,单相电源的二个Y电容会造成流经接地导体电流的增加提高。医疗设备要求接地漏电流不得超过0.5mA,其他保护等级Class I的设备接地漏电流不得超过3.5mA。也因此Y电容的大小会受到限制

  若接地漏电保护插座上有多台设备使用电源滤波器,其漏电流可能会累积到30 mA,使得漏电保护开关跳脱,因此需使用有延时机能的漏电断路器,漏电断路器的额定电流可能需加大。

  若保护等级Class I的设备中,接地保护的导体没有导通,则设备的金属外壳会有电流流到地。这是Y电容产生的电容分压的结果,电源对地的电压约为115伏。一般医疗用的设备其漏电流需小于0.5 mA,其电源滤波器的Y电容会更小,而其电感感值则会对应增加。

  若一个有接地的设备(如电脑)以非平衡的接线方式接到一个没有接地的设备,其接地设备的Y电容、信号线的地线及电脑的接地会形成回路接地,也就是各设备的接地电位不同,造成有电流在各接地点之间流动的情形。

  黄国耀. 电源滤波器[J]. 应用磁学动态, 1990(5):24-26.


点击次数:  更新时间:2020-10-15 12:52   【打印此页】  【关闭
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