摘 要： 介紹了電源中的EMI（Electro Magnetic Interference）干擾，電源EMI濾波器的技術原理；重點討論了它的技術參數和選用時注意事項；典型濾波器的應用分析。
關鍵詞： 電磁干擾 插入損耗 阻抗搭配 測試
1 引言
近幾年來，隨著電磁兼容工作的開展，電源濾波器技術應用得越來越廣泛。為了對電源EMI技術有更深入的理解，尤其它的技術原理、選用時關注的技術參數和注意事項，以及濾波效果分析等。結合工作，對電源EMI濾波器選用進行深一步探討。
2 概述
在電子設備供電電源上，存在有各種各樣的外來干擾信號。很多電子設備本身，在完成其功能同時，也產生了形形色色的EMI信號，以及人為和大自然的EMI信號。這些EMI信號，通過傳導和輻射的方式，影響著該環(huán)境里運行的電子設備。
2.1電源EMI電磁干擾
?。溃㊣BM公司的一項研究表明：一臺普通計算機裝置每月都會遭受120多次電源干擾，且電源問題是造成美國45％以上的計算機裝置丟失數據和發(fā)生故障的根本原因。其中脈沖干擾占39.5％，振蕩瞬變占49％，這兩項共占88.5％，是電源受到干擾的主要成分。電網中的負載切換、電網切換或其他各種故障都會使電網發(fā)生瞬變過程產生脈沖噪聲，它通常也稱瞬變噪聲，其波形是一系列的單個脈沖或脈沖束。
針對以上電網瞬變電壓的干擾，如何提高設備（產品）對EMI的抗擾度，采取有效可靠的措施之一就是EMI濾波器。眾所周知，屏蔽是控制EMI信號輻射危害的幫手。在對付EMI信號的傳導干擾和某些輻射傳導干擾方面，電源EMI濾波器是極有效的器件。幾乎所有的電子設備都要求助于它來控制其運行時產生的EMI信號，因而得到非常廣泛的應用。
電源EMI濾波器，又稱為電磁干擾濾波器、電網濾波器、電網噪聲濾波器等等，或統(tǒng)稱為EMI濾波器。它是一種低通濾波器，把直流、50Hz或400Hz的電源功率毫無衰減地傳輸到設備上，大大衰減經電源傳入的EMI信號，保護設備免受其害；同時，又能有效地控制設備本身產生的EMI信號，防止它進入電網，污染電磁環(huán)境，危害其他設備。電源EMI濾波器是幫助電磁設備和系統(tǒng)滿足有關電磁兼容性標準不可缺少的器件，如IEC、FCC、VDE、MIL-STD-461、GB9254和GB6833等。如圖1.2典型電源EMI濾波器的濾波曲線。在談及電源EMI濾波器之前，讓我們先來討論共模（也叫作不對稱）干擾信號和差模（也叫作對稱）干擾信號。
2.2 共模和差模干擾信號
關于上述各式各樣的EMI信號對電子設備的影響，其中把相線（L）與地線（E）和中線（N）與地線（E）之間存在的EMI信號稱之為共模干擾信號，共模干擾信號可視為在L和N線上傳輸的電位相等、相位相同的信號。把L和N之間存在的干擾信號U3稱為差模干擾信號，也可把它視為在L和N線上有180度相位差的干擾信號。對于供電系統(tǒng)的傳導干擾信號，都可以用共模和差模干擾信號來表示。并且也可把L-E和N-E上的共模干擾和。
L-N上的差模干擾看作獨立的EMI源（網絡端口），來分析EMI信號的特性和設計抑制EMI信號的濾波網絡。
它是由集中參數元件組成的無源網絡，的網虛線表示濾波器的金屬屏蔽外殼。有兩只電感L1和L2，四只電容器Cx和Cy。即把濾波器的電源端接到被干擾設備的電源進線，濾波器的負載端接被干擾的設備，這樣L1和Cy、L2和Cy分別構成L-E和N-E兩對獨立端口間的L型（反Γ）低通濾波器，用來抑制供電系統(tǒng)存在的共模EMI信號。其中，L1和L2構成共模扼流圈，由于實際應用中電感L1和L2的電感量是不一定相等的，于是，L1和L2之差便是差模電感Lｅ，它和Cx又構成L-N獨立端口間的一個∏型低通濾波器，用來抑制差模EMI信號，從而實現(xiàn)對供電系統(tǒng)EMI信號的抑制，保護電子設備不受其影響。
實際應用中，在電源線中往往同時存在共模和差模干擾，一般低于1MHz頻率的干擾以差模為主，高于1MHz頻率的干擾以共模為主。因此電源EMI濾波器是由共模濾波電路和差模濾波電路綜合構成。 字串6
3 電源EMI濾波器的選用
選擇和使用電源EMI濾波器時，考慮主要的特性參數有額定電壓、額定電流、插入損耗、阻抗搭配、工作環(huán)境條件（溫度等），下面分別介紹，另外還要考慮體積、質量和可靠性等等。
3.1 額定電壓
額定電壓是電源EMI濾波器用在指定電源頻率時的工作電壓，也是濾波器允許的電壓值。如用在50Hz單相電源的濾波器，額定電壓為250V；用在50Hz三相電源的濾波器，額定電壓為440V。若輸入濾波器的電壓過高，會使內部電容器損壞。
3.2額定電流
額定電流（Ir）是在額定電壓和指定環(huán)境溫度條件下所允許的連續(xù)工作電流。
隨著環(huán)境溫度的升高，或由于電感導線的銅損，磁芯損耗以及周圍環(huán)境溫度等原因導致工作溫度高于室溫，這時候就難以確保插入損耗的性能。我們應該根據實際可能的工作電流和工作環(huán)境溫度來選擇濾波器的額定電流。
除特殊說明外，EMI濾波器說明書給出的額定電流均為室溫＋25℃（標稱溫度）的值，同樣給定的典型插入損耗或曲線也均指＋25℃的值。工作電流（Imax）、額定電流與溫度之間的存在如下關系： 字串3
式1.0中：Imax為工作電流，Ir為室溫下額定工作電流，Tmax為的工作溫度＋85℃，Ta為實際工作溫度，Tr為室溫＋25℃。根據式2.0，Imax/Ir與Ta的關系舉例說明：＋25℃，Imax＝Ir；＋45℃，Imax＝0.816Ir；＋85℃，Imax＝0。
另外，在國外一些濾波器公司規(guī)定，＋40℃（標稱溫度）為工作電流值Ir 。
IEC氣候等級為25/085時，指定環(huán)境溫度為＋40℃（標稱溫度）條件下，查取其他環(huán)境溫度所允許的工作電流曲線。
影響工作電流和環(huán)境關系的主要原因之一就是濾波器中的軟磁材料。EMI濾波器一般采用高磁導率軟磁材料錳鋅鐵氧體，初始磁導率μi＝7000～10000，但其居里點溫度不高，優(yōu)質的僅為130℃左右。磁導率越高，居里點溫度越低，過居里點后磁導率迅速下降，從而導致濾波器中的電感值下降，嚴重影響濾波效果。
因此要根據工作溫度來正確選擇電源濾波器的額定電流，或者改善濾波器的散熱條件（工作環(huán)境）來確保濾波器的安裝使用。
3.3插入損耗
3.3.1 插入損耗定義
插入損耗是電源EMI濾波器重要的技術參數之一，設計人員和工程應用人員考慮的中心問題就是：在保證濾波器安全、環(huán)境、機械和可靠性能滿足有關標準要求的前提下，實現(xiàn)盡可能高的插入損耗。
濾波器的插入損耗是頻率的函數，用dB（分貝）表示。電路未接濾波器時，信號源在接受電路端電壓（功率）為U（ P），接入濾波器后在接受端輸入電壓（功率）為U（ P） ，定義插入功耗I.L（Insertion Loss）可以用下列方程推導出來：
假設實際負載阻抗在濾波器插入前后保持不變，故1.1式的各功率可以由其相應的負載電壓和阻抗的表達式來代替：
方程中所表示的插入損耗，需要在任何頻率下通過取下和插入濾波器來進行測量。
3.3.2共模損耗與差模損耗
電源EMI濾波器的插入損耗包括共模（表示為CM）插入損耗和差模（表示為DM）插入損耗。關于它們的具體測試方法，在CISPR第17號出版物中有過說明，這里就不再說明。例如某個廠家生產的DNF05-H-6AEMI濾波器，按有關標準測得的插入損耗。
3.3.3影響插入損耗的因素
影響電源EMI濾波器插入損耗的因素包括阻抗搭配和安裝。實際應用中， EMI濾波器輸入和輸出端的阻抗已不是測得圖2.3曲線時的50Ω，所以它對干擾信號的衰減，不會等于產品標準或說明書中的給出的插入損耗。如果選用EMI濾波器的網絡結構和參數合理，加上安裝得當，則有可能實現(xiàn)優(yōu)于標準中的規(guī)定的插入損耗。反之，如果網絡搭配和參數的選擇不當，安裝又有問題，則有可能得不到好的應用效果，反而會得到相反的效果，如圖2.5出現(xiàn)插入損耗增益。
另外一個影響因素，就是濾波器的工作溫度和額定工作電流。EMI濾波器的插入損耗測量標準，CISPR第17號出版物，MIL-STD-220A和GB7343-87所規(guī)定的測量方法中，都一致強調了要在加載額定電流條件下進行它的插入損耗的測量。前文已介紹，這是因為濾波器中的電感L用了鐵氧體或其他磁性材料，大電流工作下，磁性飽和狀態(tài)引起性能變壞。如圖2.6是某有問題的EMI濾波器測試情況，曲線①是正常50Ω系統(tǒng)下測試的插入損耗曲線，曲線②是50Ω系統(tǒng)和30A額定電流下測試的插入損耗曲線，兩者比較差別相當大。
3.4 阻抗搭配
3.4.1阻抗搭配的原因
選擇濾波器時，首先應選擇適合你所用的濾波電路和插入損耗性能。首先選擇濾波電路的原因是與濾波器要在匹配條件下工作的傳統(tǒng)概念不同，所謂匹配意味濾波器需在保持輸入/輸出信號幅度不變（或某一固定比例）的前提下，將其中部分頻譜做預期的處理或變換，而EMI電源濾波器不同，它是個以工頻為導通對象的低通濾波器，是在不匹配的條件下工作，因為在實際應用中無法實現(xiàn)匹配，如濾波器輸入端阻抗RI——電網源阻抗是隨著用電量的大小變化的，濾波器輸出端的阻抗Rl（負載阻抗）——電源阻抗是隨著電源負載的大小變化的，要想獲得理想的抑制效果，應遵循正確的阻抗搭配。
無論怎樣復雜的電源EMI濾波器，都可以把它的共模和差模濾波網絡抽象出來。
3.4.2阻抗失配分析
可以分析出，一般在電源EMI濾波器電路網絡中，電感L看作高阻元件，電容C看作低阻元件。為了達到濾波更好的效果，按照濾波器的不匹配原則：如果實際負載為感性高阻，則選擇輸出負載為容性低阻的濾波器；如果實際負載為容性低阻，則選擇輸出負載為感性高阻的濾波器。同樣，對于濾波器的輸入阻抗和電網源阻抗，也應該按照阻抗失配原則來選擇濾波器。
由式1.4可知，Zo與Rl相差越大，ρ就越大，端口產生的反射也就越大。對被控制的干擾信號，當EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，EMI信號會在它的輸入和輸出端口產生很強的反射。這樣一來，濾波器對EMI信號的衰減，等于濾波器的固有插入損耗加上反射損耗。在EMI濾波器的實際使用中，可用阻抗失配來實現(xiàn)對EMI信號更加有效抑制。這就是為什么選用EMI濾波器時，一定要仔細分析其端口阻抗的正確搭配，使產生盡可能大的反射，達到對EMI信號的有效控制的原因。
3.4.3實際應用分析
在電源濾波器選型時，根據我們控制系統(tǒng)DCS產品的要求，有兩家濾波器生產廠家提供了樣機并進行了測試，下面就我們實際測試應用中的情況給予分析和介紹。
EFT輸出脈沖干擾的參數：單個脈沖上升時間為5ns，單個脈沖周期為50ns，頻率為20MHz，單個脈沖串持續(xù)時間為15ms，脈沖串周期為300ms，電壓峰值分別設置為1000V和2000V。示波器設置的參數相同，且測量的接法也相同。測試結果比較如圖2.10。
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（A）峰值1000V時，濾波效果比較（左NF型，右HT型）
（B） 峰值2000V時，濾波效果比較（左NF型，右HT型）
圖2.10 （A）（B）為兩種濾波器在不同干擾電壓下的濾波效果比較
測試分析：
⑴ 首先從兩種濾波器的電路網絡框圖上分析，兩個電路網絡構成的元器件基本相似，且都是雙級濾波網絡，兩者對共模、差模干擾都有抑制。惟一不同點就是圖2.8（a）NF型網絡輸出負載是容性的；（b）HT型濾波器網絡輸出負載是感性的。為了增強抑制，按照阻抗失配原則，NF型應該接感性負載，HT型應該接容性負載。
⑵ 從測試結果圖2.10（A）、（B）中可以看出，示波器通道①顯示曲線為濾波前干擾信號，通道②顯示曲線為通過濾波器的干擾信號。顯然兩種型號的濾波器對干擾信號的濾波效果差別很大：型號NF的濾波器濾波效果明顯優(yōu)于HT型號濾波器。而且，HT型號濾波器根本沒有對干擾信號進行抑制，反而出現(xiàn)增益。分析主要原因是阻抗搭配不當造成的，從這個測試結果也可以間接得出我們的DCS系統(tǒng)屬于感性負載。
要根據實際EMI信號源和負載的阻抗屬性，按照產生失配的原則來選擇濾波器的網絡結構和參數。但是，在實際選用中，要知道濾波器輸出端接負載的確切屬性也不是一件容易的事。
以上分析結果只是從濾波器輸出負載Zo和實際所接負載Rl分析的，對于源阻抗Rs（電網）和濾波器輸入阻抗Zi，測試過程中，分別都是相同的，故不再展開分析。
從以上討論看出，電源EMI濾波器對EMI信號的抑制能力不僅取決于濾波器在50Ω系統(tǒng)內測得的插入損耗，還取決于濾波網絡與EMI信號源和負載的正確端接。所以，在選用濾波器時，要特別注意EMI濾波器上標牌內容，看其是否準確標出濾波網絡的參數和網絡結構。顯然，那種既不提供網絡參數，又沒有給出網絡結構的EMI濾波器，給正確端接和優(yōu)化應用帶來了麻煩。
另外，有的EMI濾波器標牌標明電源和負載端接，這可能是為了某特定電子設備所設置，沒有普遍意義，多也只能是制造廠商的建議端接方法之一。應用EMI濾波器，要具體分析EMI濾波器的網絡結構和接入電路的等效阻抗，按照以上阻抗搭配原則進行端接才能正確達到預期目的。
4 結語
通過了解EMI干擾信號，在選用電源EMI濾波器時，除了估計干擾源類型——共模為主還是差模為主，以及它的電氣安全性能——泄漏電流和耐壓外，還要注意以下幾點：首先，要考慮使用過程中的環(huán)境溫度、額定電流和額定電壓，它直接影響到濾波器的濾波性能；其次，濾波器的插入損耗是選擇濾波器必須考慮的問題；再者，要使電源EMI濾波器實現(xiàn)對EMI信號的抑制，必須根據它要接入負載的阻抗，來選取電源EMI濾波器的網絡結構和參數，以產生可能的失配損耗；，為了實現(xiàn)設備和系統(tǒng)的電磁兼容性，工程技術人員在著手進行設備或系統(tǒng)設計的初期，就要周密考慮，正確選擇，用好電源EMI濾波器。
關鍵詞：電源EMI濾波器的技術參數及其選用
