電源EMI濾波器設(shè)計(jì)方法:

1.確定fcn的一般方法:
      扼流圈截止頻率fen要根據(jù)電磁兼容性設(shè)計(jì)要求確定。對(duì)于騷擾源,要求將騷擾電平降低到規(guī)定的范圍;對(duì)于接收器,其接收品質(zhì)體現(xiàn)在對(duì)噪聲容限的要求上。對(duì)于一階低通濾波器截止頻率可按下式確定:
騷擾源:fcn=kT×(系統(tǒng)中低騷擾頻率);接收機(jī):fcn=kRX(電磁環(huán)境中低騷擾頻率)。


      式中,kT、kR根據(jù)電磁兼容性要求確定,一般情況下取1/3或1/5。例如:電源噪聲扼流圈或電源輸出濾波器截止頻率取fen=20~30kHz(當(dāng)開(kāi)關(guān)電源頻率f一100kHz時(shí));信號(hào)噪聲扼流圈截止頻率取fcn=10~30MHz(對(duì)傳輸速率為100Mbps的信息技術(shù)設(shè)備)。


      此外,對(duì)于輸入電流有特殊波形的設(shè)備,例如接有直接整流一電容濾波的電源輸入電路(未作功率因數(shù)校正(PFC)的開(kāi)關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器之類電器通常如此),要濾除2~40次電流諧波傳導(dǎo)干擾,噪聲扼流圈截止頻率fcn可能取得更低一些。例如,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定電磁干擾起始頻率為300kHz;國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)規(guī)定為150kHz;美國(guó)軍標(biāo)規(guī)定為10kHz。


2.噪聲濾波器電路
      當(dāng)扼流圈插入電路后,其提供的噪聲抑制效果,不但取決于扼流圈阻抗ZF大小,也與扼流圈所在電路前后阻抗(即源阻抗和負(fù)載阻抗)有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)分析指出:在工作頻率范圍內(nèi),傳輸線輸入輸出阻抗匹配,可以大限度傳輸信號(hào)功率;對(duì)于噪聲,我們自然會(huì)想到插入噪聲濾波器,使其輸入輸出阻抗在噪聲頻率范圍內(nèi)失配,以大限度抑制噪聲。


      因此,噪聲濾波器結(jié)構(gòu)和構(gòu)成元件的選擇要由噪聲濾波器所在電路的源阻抗和負(fù)載阻抗而定。從這個(gè)意義上說(shuō)抗EMI濾波器實(shí)際上是噪聲失配濾波器。這里,我們特別提出噪聲失配概念有利于對(duì)噪聲與噪聲濾波器相互作用的分析(見(jiàn)后面應(yīng)用原理部分)。

噪聲濾波器基本電路

圖1噪聲濾波器基本電路

      噪聲濾波器電路通常采用x形、T形、L形電路結(jié)構(gòu)及他們的組合等,作成低通濾波器,基本電路結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于高頻噪聲,n形結(jié)構(gòu)可以提供低的輸入輸出阻抗,適于所在電路源阻抗和負(fù)載阻抗高的場(chǎng)合;T形結(jié)構(gòu)可以提供高的輸入輸出阻抗,適于所在電路源阻抗和負(fù)載阻抗低的場(chǎng)合;L形結(jié)構(gòu)可以提供高輸入阻抗和低輸出阻抗(或者相反),適于所在電路低源阻抗和高負(fù)載阻抗(或者相反)場(chǎng)合。濾波器構(gòu)成元件L、C值的確定要滿足電路對(duì)噪聲頻率插入損耗要求,可按下式近似計(jì)算:

L=Z/(2I×fc),C=1/(2n×fe×Z)


      Z為噪聲扼流圈阻抗、濾波器輸入或輸出阻抗。應(yīng)該指出,L、C值計(jì)算只能是近似的。因?yàn)閷?duì)于頻率高到100kHz及其諧波,電路分布參數(shù)已經(jīng)不能忽略,噪聲濾波器對(duì)噪聲的抑制效果實(shí)際上往往由實(shí)驗(yàn)確定。為方便設(shè)計(jì)計(jì)算,下面給出一個(gè)實(shí)際電容的阻抗頻率特性和引線電感計(jì)算方法。考慮到電容損耗和引線電感影響,實(shí)際電容等效電路和阻抗頻率特性如圖2所示。


引線電感由下式計(jì)算:
L=0.002/[ln(4l/d)-1]
式中,d為導(dǎo)線直徑(cm),1為導(dǎo)線長(zhǎng)度(cm),L為電感量(uH)。
例如,長(zhǎng)度1=1cm的0.31mm導(dǎo)線,L=0.0077uH,當(dāng)頻率為1MHz時(shí)Z=0.0499;頻率為100MHz時(shí)Z=4.99。當(dāng)1=2cm時(shí),L=0.0182uH,當(dāng)頻率為100MHz時(shí),Z=11.44歐。

實(shí)際電容的串聯(lián)等效電路

(a)

(b)


3.噪聲濾波器應(yīng)用原
      根據(jù)電磁兼容性要求選擇、使用噪聲濾波器的方法或程式不是唯一的。這要作為電磁兼容性設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分,在電器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試中解決。盡管如此,在設(shè)計(jì)使用噪聲濾波器之前,了解電磁騷擾傳播方式、噪聲頻率范圍和插入電路的電磁環(huán)境是有益的。


電磁騷擾的傳播方式大致分兩種:

      一種是傳導(dǎo)干擾,另一種是輻射干擾。用于改善電路噪聲容限的板上型噪聲濾波器可設(shè)計(jì)在9kHz~1780MHz頻率范圍內(nèi)(根據(jù)電磁兼容有關(guān)標(biāo)準(zhǔn))某一頻段下工作。大體上可以認(rèn)為:噪聲頻率低段表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾(騷擾),噪聲濾波器主要靠扼流圈感抗提供噪聲抑制;在噪聲頻率高端,傳導(dǎo)噪聲功率被扼流圈等效電阻吸收和分布電容旁路,這時(shí),輻射騷擾成為干擾的主要形式。


      輻射騷擾在附近元件、引線上感生噪聲電流,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電路自激,這在小型高密度電路元件組裝情況下變得更加突出??笶MI器件大都作為低通濾波器插入電路中抑制或吸收噪聲干擾??筛鶕?jù)需要抑制的噪聲頻率,設(shè)計(jì)

或選擇濾波器截止頻率fcn。上面已經(jīng)提及,噪聲濾波器作為噪聲失配器插入電路中。其作用是對(duì)高于信號(hào)頻率的噪聲嚴(yán)重失配。用噪聲失配概念,濾波器的作用可以這樣來(lái)理解:通過(guò)噪聲濾波器,噪聲或因分壓(衰減)降低噪聲輸出電平;或因多次反射吸收噪聲功率;或因通道相位改變破壞寄生振蕩條件,從而改善了電路的噪聲容限。


此外,設(shè)計(jì)、使用抗EMI器件要注意以下幾個(gè)問(wèn)題:
(1)了解電磁環(huán)境,合理選擇頻率范圍;
(2)噪聲濾波器所在電路中是否存在直流或強(qiáng)交流,防止器件磁心飽和失效;
(3)了解插入電路前后阻抗大小和性質(zhì)使達(dá)到噪聲失配,扼流圈阻抗一般為30~5009,宜在低源阻抗和負(fù)載阻抗下使用;
(4)注意分布電容和相鄰元件、導(dǎo)線產(chǎn)生感性交擾;
(5)控制器件溫升,一般不要超過(guò)60℃。



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