電源噪聲濾波器的基本原理
共模電容CY接在交流電進線與機殼地之間,要求它們在電氣和機械性能上,應有足夠大的安全余量,萬一它們發(fā)生擊穿短路,將使設備機殼帶上危險的交流電,如設備的絕緣或接地保護失效,可能使操作人員遭受電擊,甚至危及人身安全。因此對CY電容器的容量要進行限制,使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求其應有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量,并且萬一發(fā)生電壓擊穿它應處于開路狀態(tài),而不會使設備機殼帶電。
綜上所述,在設計和選擇電網噪聲濾波器時,因為它們工作在高電壓、大電流、惡劣的電磁干擾環(huán)境中,首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對于電感線圈,其磁芯、繞線的材料,絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應予重視。對于電容器,其電容種類、耐壓、安全等級、容量、漏電流等都應優(yōu)先考慮,特別要求選擇經過國際安全機構安全認證的產品。
6、濾波器的安全性能參數
6.1濾波器與漏電流
電網濾波器漏電流定義為:在額定交流電壓下,濾波器外殼到交流進線任一端的電流。如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的,則漏電流的值,主要取決于共模電容CY的漏電流,即主要取決于CY的容量。由于濾波器漏電流的大小,涉及到人身安全,國際上各國對此都有嚴格的標準規(guī)定。對于220V/50Hz交流電網供電,一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。
6.2濾波器與試驗電壓
對于交流電網噪聲濾波器,試驗電壓分為兩種:一種是加在交流進線兩端,即線—線試驗電壓。若電感線圈及引線是絕緣良好的,它主要取決于電容器CX的耐壓;另一種是加在交流進線任一端與機殼地之間,即線—地試驗電壓。它主要取決于CY的耐壓。
漏電流和試驗電壓都是噪聲濾波器的安全性能參數,是濾波器中電感線圈、絕緣和電容器CX、CY安全性能的具體表現(xiàn),并且與設備及人身安全緊密相關。因此在電網噪聲濾波器的設計、生產和使用中,都要特別加以重視,把這些技術參數的認證和檢驗放在首位。
7、濾波器的技術參數及正確使用
?。?)插入損耗是噪聲濾波器的重要技術參數之一,在設計和選用時應予主要考慮。在濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機械等條件都滿足要求時,應盡量選擇插入損耗值大些。
插入損耗的定義如圖3所示,當沒接濾波器時,信號源輸出電壓為V1,當濾波器接入后,在濾波器輸出端測得信號源的電壓為V2。若信號源輸出阻抗與接收機輸入阻抗相等,都是50Ω,則濾波器的插入損耗為:IL=20log(V1/V2)(1)
圖3插入損耗的定義
圖4濾波器網絡結構的選擇
圖5公共阻抗耦合的等效電路
因為電源噪聲濾波器能衰減共模和差模噪聲,所以它即有共模插入損耗,又有差模插入損耗。
但在實際選用濾波器時,應注意產品手冊給出的插入損耗曲線,都是按照標準規(guī)定,在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測得的。因為實際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內是50Ω,所以它對EMI信號的衰減,并不等于產品手冊中給出的插入損耗值。特別當使用安裝不當時,還會遠遠小于標準給定的插入損耗。
(2)電源噪聲濾波器是一種具有互易性的無源網絡。在實際應用中為使它有效地抑制噪聲應合理配接。按圖4所示組合來選擇濾波器的網絡結構和參數,才能得到較好的EMI抑制效果。
當濾波器的輸出阻抗與負載阻抗不相等時,在此端口上會產生反射,兩個阻抗相差越大,端口產生的反射也越大。當濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時,則EMI信號將在其輸入和輸出端都產生反射。這時電源濾波器對電磁干擾噪聲的衰減,就與濾波器固有的插入損耗和反射損耗有關,可利用這點更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實際設計和選擇使用EMI濾波器時,要注意濾波器阻抗的正確連接,以造成盡可能大的反射,使濾波器在很寬的頻率范圍內造成較大的阻抗失配,從而得到更好的電磁干擾抑制性能。
?。?)在電源濾波器的實際應用中,要求其外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接,且應使接地線盡量短,因為過長的接地線會加大接地電阻和電感,而嚴重削減濾波器的共模抑制能力,同時也會產生公共接地阻抗耦合的問題。如圖5所示,接地線過長,則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過大,負載上電壓為:V0=VZ+Vg=VZ+(Ii-IO)Zg(2)式中:Ii為濾波器交流輸入電路的噪聲電流;IO為濾波器輸出電路的噪聲電流。
由式(2)可知,電磁干擾信號經過濾波器衰減后,在輸出端的噪聲電流大大小于輸入端的噪聲電流,即公共接地阻抗引起的壓降(Ii-IO)Zg將很大,在Zg上將產生一個很高的電磁干擾電壓,經過公共接地回路耦合到濾波器的輸出端,從而大大減弱噪聲濾波器對EMI噪聲的抑制能力。
減小公共阻抗耦合的最好方法,就是借助設備的電磁屏蔽,把噪聲濾波器的輸入端與輸出端隔離開,同時濾波器的接地線要盡量短,這樣既把濾波器輸入與輸出端間存在的電磁耦合降到最低程度,又不破壞設備的屏蔽結構對于電磁干擾噪聲的抑制作用。
理想的電源噪聲濾波器安裝方式如圖6所示。
(4)綜上所述,電源噪聲濾波器的使用應注意如下幾點:
?、贋V波器應盡量靠近設備交流電入口處安裝,應使未經過濾波器的交流進線在設備內盡量短;
?、跒V波器中的電容器引線應盡可能短,以免引線感抗和容抗在較低頻率上產生諧振;
?、蹫V波器接地線上有大的電流流過,會產生電磁輻射,應對濾波器進行良好的屏蔽和接地;
④濾波器的輸入線和輸出線不能捆扎在一起,布線時盡量增大其間距離,以減小它們之間的耦合,可加隔板或屏蔽層。
8、結語
電磁干擾濾波器的設計和選用,主要依據噪聲干擾特性和系統(tǒng)電磁兼容性的要求,在了解電磁干擾的頻率范圍,估計干擾的大致量級的基礎上進行。首先要了解濾波器的使用環(huán)境(使用電壓、負載電流、環(huán)境溫濕度、振動沖擊、安裝方式和位置等),要重點考慮其安全性能參數,因為關系到設備及人身安全。還要使濾波器對EMI噪聲產生最佳的抑制效果。應根據接入電路的要求,以產生最大阻抗不匹配的原則來選擇濾波器的網絡結構和參數。為了獲得最佳的電磁噪聲衰減特性,濾波器應該正確地安裝在電子設備上。
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