摘 要：分析了電源噪聲濾波器的基本原理，并對(duì)一個(gè)電源噪聲濾波器實(shí)例進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試表明該濾波器對(duì)10 kHz以上的電網(wǎng)噪聲衰減效果能達(dá)到27dB，對(duì)1 MHz的噪聲衰減效果能達(dá)到80dB。

關(guān)鍵詞：電源噪聲，濾波器，設(shè)計(jì)，測(cè)試

Abstract: According to the basic elements of the Power Noise Filter, we optimize an example to prove its function. The result shows that that filter can weaken noise above 100 kHz by 27dB.

Keywords: Power Noise, Filter, Design, Test

0引言

現(xiàn)代社會(huì)中電子、電力電子、電氣設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這些設(shè)備一方面既給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)它們?cè)谶\(yùn)行中所產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿了整個(gè)空間，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境，使得對(duì)電子設(shè)備的電磁兼容性的要求也在不斷的提高?！?】

電子設(shè)備在電磁噪聲干擾的作用下有多種表現(xiàn)，在模擬電路中可以引起信號(hào)波形的畸變失真，信噪比變壞，嚴(yán)重時(shí)信號(hào)甚至?xí)耆浑姶鸥蓴_所淹沒(méi)。噪聲干擾也會(huì)使得數(shù)字電路系統(tǒng)中的誤碼率上升，邏輯電平紊亂，降低系統(tǒng)信息的可靠性，極端情況下將導(dǎo)致失控或誤控操作的嚴(yán)重后果，危及到人身安全。

近年來(lái)推廣采用的抑制電網(wǎng)噪聲的電源噪聲濾波器技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、濾除噪聲效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠有效的抑制電網(wǎng)噪聲，增強(qiáng)電子設(shè)備對(duì)噪聲干擾的抗干擾能力。例如符合德國(guó)VDE標(biāo)準(zhǔn)的電源濾波器對(duì)30 kHz～30MHz范圍內(nèi)的噪聲插入損耗能夠達(dá)到20～100dB。

1電源噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)及原理

電源噪聲屬于電磁干擾中的一種，其噪聲頻譜范圍一般是在10kHz到30MHz之間，最高噪聲頻率可達(dá)150MHz【2】。從示波器對(duì)電網(wǎng)電壓的直接觀測(cè)中可以明顯看出，市電并非是純凈的50Hz理想正弦波，而是在工頻上疊加了各種頻率噪聲干擾的正弦波。

從廣義范圍上來(lái)看，電源噪聲濾波器所起的作用相當(dāng)于是一個(gè)由電感、電容組成的無(wú)源低通濾波器，它能夠?qū)⑹须娭械墓ゎl部分無(wú)衰減地傳輸?shù)胶蠹?jí)電路中去，同時(shí)大幅度衰減或完全濾除由電源輸入端引入市電中的干擾噪聲，并能阻止電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾噪聲通過(guò)電源線反串入電網(wǎng)中，污染了初級(jí)的電源環(huán)境。

不同結(jié)構(gòu)形式的電源噪聲濾波器的主要區(qū)別在于電容與電感的連接方式不同，電路結(jié)構(gòu)通常所采用的方式有π形、T形及L形，有些情況下還可以采用它們間的組合來(lái)增強(qiáng)濾波效果【3】。

電源噪聲濾波器的效率不僅要考慮其基本結(jié)構(gòu)，而且還要進(jìn)一步考慮其所連網(wǎng)絡(luò)兩端的阻抗大小，并根據(jù)源阻抗及負(fù)載阻抗的不同依照阻抗最大失配原則來(lái)選擇正確的接法，兩者阻抗差別越大，濾波器的濾波效果也就越好?！?】

對(duì)于實(shí)際電網(wǎng)中存在的差模干擾和共模干擾兩種噪聲干擾，由于具有不同的干擾特點(diǎn)，電源噪聲濾波器中一般需要采用不同的結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)兩種噪聲干擾分別進(jìn)行抑制。最基本的差模干擾濾波電路就是在扼流圈之前，即在相線和中線之間跨接電容。最基本的共模干擾濾波電路是在電源線的相線和中線上均串入扼流圈，而且分別通過(guò)接電容至地，如圖2(b)所示。

但是無(wú)論是對(duì)于共模濾波電路還是差模濾波電路，在設(shè)計(jì)中一般都要考慮設(shè)計(jì)成共軛濾波器的形式。因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)對(duì)于工頻電壓來(lái)說(shuō)，任何時(shí)候電源線之間的電流都是大小相等，方向相反的，磁芯中的磁通相互抵消而不呈現(xiàn)阻抗，避免了因?yàn)闉V波器的引入而在電源端產(chǎn)生附加的壓降。

2 電源噪聲濾波器的電路設(shè)計(jì)

電源噪聲濾波器最主要的性能參數(shù)就是濾波器的插入損耗，即插入電源噪聲濾波器后噪聲干擾的衰減程度，這也是在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用電源噪聲濾波器中最需要考慮的因素之一。一般可以用電壓幅值的比值來(lái)計(jì)算表示插入損耗，其值越大，表示濾波器抑制噪聲干擾的能力越強(qiáng)。

電源噪聲濾波器在設(shè)計(jì)使用時(shí)另一項(xiàng)需要引起注意的參數(shù)是流過(guò)濾波器中漏電流的大小，出于安全角度的考慮，漏電流的值要盡可能的小。按照使用場(chǎng)所的不同，在可移動(dòng)設(shè)備上的濾波器的漏電流值應(yīng)小于1mA，對(duì)于裝在固定位置且接地設(shè)備上的濾波器，漏電流值應(yīng)小于3.5mA?！?】

按照電源噪聲濾波器的基本原理：

在設(shè)計(jì)中考慮到普通電源噪聲濾波器對(duì)浪涌電壓的抑制能力較差，特別是當(dāng)浪涌電壓上升緩慢且寬度較大時(shí)，容易出現(xiàn)阻抗不匹配，使電感線圈達(dá)到磁飽和，所以在電源噪聲濾波器輸入端增加了一個(gè)壓敏電阻R1以抑制浪涌電壓（也可選用半導(dǎo)體材料浪涌電壓抑制管，效果會(huì)更好一些）。

電路的第一級(jí)是采用差模濾波電感LC1、LC2和差模濾波電容CX1組成的差模干擾濾除回路。由于差模電容CX1的作用，差模干擾電流將通過(guò)電容流回電源線而不流入電子設(shè)備中。在后級(jí)電路中為進(jìn)一步濾除殘余的差模干擾，又分別并聯(lián)兩個(gè)差模電容CX2、CX3以加強(qiáng)濾波效果。差模電容使用的類型是陶瓷電容，考慮到其上的實(shí)際電壓值是額定交流電壓和電磁干擾峰值電壓的疊加值，因此要求差模電容有足夠高的耐壓值，一般不低于630VDC。電容容量值可按照所抑制的噪聲電壓頻率下限值來(lái)確定，其值越大，濾波器的插入損耗也就越大。

差模電感中鐵芯使用的是金屬粉壓磁芯，因?yàn)槠涑跏即艑?dǎo)率受頻率影響小，高頻工作下?lián)p耗大，直流重疊特性好，大電流應(yīng)用時(shí)電感量也不會(huì)大幅度下降，且適用頻率范圍較低。依流過(guò)電感的電流值不同，設(shè)計(jì)中的電感值可以取為幾mH～幾十mH。

為了加強(qiáng)對(duì)共模噪聲的抑制，后級(jí)電路中的共模濾波電路設(shè)計(jì)成了兩級(jí)相同的濾波結(jié)構(gòu)，LD1、CY1、CY2和LD2、CY3、CY4。這樣做一方面可以使得共模干擾更加充分地被濾除，另外一方面使用兩級(jí)結(jié)構(gòu)的濾波電路，可以使得電源噪聲濾波器內(nèi)部保持在相對(duì)穩(wěn)定的阻抗點(diǎn)上，減少負(fù)載及源阻抗對(duì)電源噪聲濾波器的影響，提高其對(duì)強(qiáng)噪聲干擾的抑制能力。

雖然兩級(jí)共模濾波電路的電路結(jié)構(gòu)完全相同，但是兩者的元件參數(shù)選擇并不同，有所考慮的是通過(guò)選取合適的不同參數(shù)，使得電源噪聲濾波器對(duì)不同頻率范圍內(nèi)的共模噪聲干擾都能兼顧取得良好的濾除效果。

電路的兩個(gè)共模扼流圈LD1和LD2，一般都選用損耗低且導(dǎo)磁率高的鐵氧體磁芯。主要是因?yàn)榱鬟^(guò)扼流圈中的共模電流的磁通方向相同，因此扼流圈對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)較大的感抗，從而起到濾除共模信號(hào)的作用。共模扼流圈的電感值也需要按照濾波器的額定電流大小來(lái)考慮，適當(dāng)增加電感值可以改善低頻噪聲端的衰減特性。

設(shè)計(jì)中共模電容的類型仍是陶瓷電容，由于控制其值的大小，就可以控制流過(guò)濾波器中漏電流的大?。╇娏?， -電源頻率， -電源電壓）【6】，因此共模電容也就是在設(shè)計(jì)時(shí)控制流過(guò)電源噪聲濾波器漏電流的主要手段。一般為了減少漏電流，共模電容量不得超過(guò)0.1μF。

抑制低頻噪聲時(shí)，理論上電源濾波器的電感和電容的參數(shù)選的越大，濾波效果越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對(duì)高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大電感的體積也越大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡各種因素的影響，確定合適的參數(shù)。

差模部分的參數(shù)選擇可以在設(shè)計(jì)時(shí)先確定差模電容CX1的值，然后再根據(jù)截至頻率fO按照公式

來(lái)計(jì)算差模電感的取值。對(duì)于共模部分的參數(shù)選擇，可以先按照設(shè)計(jì)時(shí)漏電流的大小選定共模電容的取值，然后再按照下面的公式來(lái)計(jì)算共模電感的選值。

濾波電路參數(shù)選定后，必須驗(yàn)證參數(shù)選取的是否合適，以保證電源噪聲濾波器的自諧振頻率遠(yuǎn)小于所要濾除的噪聲頻率，否則電源噪聲濾波器不僅不能夠起到抑制噪聲干擾的作用，而且很有可能會(huì)放大噪聲干擾。當(dāng)電感的等效電阻很小時(shí)，電源噪聲濾波器的自諧振頻率可以按照下式來(lái)大致計(jì)算。

3 電源噪聲濾波器的仿真分析

為了從理論上對(duì)濾波器進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，在PSPISE環(huán)境下對(duì)上述設(shè)計(jì)的電源噪聲濾波器電路中差模噪聲的抑制能力進(jìn)行了仿真分析，仿真中所使用的元器件參數(shù)都是按照實(shí)際電路中的實(shí)測(cè)值來(lái)進(jìn)行的，并且設(shè)源阻抗和負(fù)載阻抗均為理想情況下的50Ω。

首先分析了電源噪聲濾波器差模衰減特性，即電源噪聲濾波器輸出信號(hào)電壓幅值隨輸入信號(hào)頻率的變化的衰減程度。仿真分析時(shí)使用的電壓值是市電的半峰值110V，電源噪聲濾波器對(duì)于50Hz左右處的工頻信號(hào)的衰減幅度很小，而濾波器的3DB點(diǎn)位置大概在180Hz處左右，當(dāng)頻率上升到2KHz的時(shí)候，信號(hào)衰減已達(dá)20dB以上。

為了更加充分的說(shuō)明濾波器的濾波效果，對(duì)濾波電路進(jìn)行了在電源波動(dòng)情況下模擬噪聲輸入的仿真分析，按照實(shí)際的噪聲幅值，即在110V/50Hz的正弦波基礎(chǔ)上疊加了5V的50kHz、150kHz和1MHz的正弦波干擾作為被污染了的市電，對(duì)比輸入輸出波形，以觀察電源噪聲濾波器的輸出濾波效果。通過(guò)分析，可以在圖5的仿真結(jié)果中明顯看出輸入的噪聲干擾在輸出處基本上都被濾除了，但是輸入和輸出之間存在一定的相移，這可能是因?yàn)闉V波器中存在非阻性元件引起的。

4 電源噪聲濾波器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的電源噪聲濾波器輸入頻率在10Hz～2 MHz之間幅值為20V（信號(hào)發(fā)生器的最大值）的正弦波，用Textronix－Tds220型示波器觀測(cè)輸出信號(hào)的變化，分析濾波器對(duì)差模噪聲抑制的效果。將測(cè)試后得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，得到如圖6所示濾波器電路的實(shí)際頻響特性曲線。

分析實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)，在工頻處的信號(hào)衰減幅度不大，濾波電路的3DB點(diǎn)在370Hz左右，當(dāng)頻率上升到10kHz時(shí)，輸出信號(hào)衰減了27dB，對(duì)1MHz差模噪聲干擾的衰減能達(dá)到80dB以上。將圖4和圖6的結(jié)果直接進(jìn)行比較，兩者大體上是吻合的。

對(duì)于實(shí)測(cè)截至頻率比理論值大的原因主要有兩點(diǎn)考慮：①實(shí)際元器件和理想器件相比有分布參數(shù)，電路板上布線也有分布參數(shù)，可以將部分輸入信號(hào)耦合到輸出端，所以頻響曲線向高頻端移動(dòng)；②測(cè)試電路時(shí)未將濾波器做屏蔽，而周圍環(huán)境中有許多電磁噪聲干擾的影響，使濾波器輸出的噪聲分量增加，導(dǎo)致測(cè)得數(shù)據(jù)偏大。

同時(shí)為了進(jìn)一步比較我們所設(shè)計(jì)的電源噪聲濾波器的濾波效果及性能，我們選用了市售的DENSEI-LAMBDA的MB1236型電源噪聲濾波器作為參考對(duì)象。

可以看出，市售的電源噪聲濾波器，其1MHz差模噪聲干擾的衰減為60dB，而本設(shè)計(jì)中濾波器對(duì)1MHz差模噪聲干擾的衰減能達(dá)到80dB以上，這表明本設(shè)計(jì)中的濾波器具有一定的比較優(yōu)勢(shì)?？梢悦黠@的看出，本設(shè)計(jì)中的濾波器的抑制范圍要比市售濾波器大的多，抑制效果也更加地明顯。

但是要將設(shè)計(jì)出來(lái)的電源噪聲濾波器投入實(shí)際的使用中，還要考慮到更多的因素。首先要用金屬將整個(gè)電源噪聲濾波器全部包起來(lái)，屏蔽外界的噪聲干擾，同時(shí)也能防止濾波器對(duì)外產(chǎn)生干擾，其次要將電源噪聲濾波器固定安裝在設(shè)備上，否則當(dāng)內(nèi)部導(dǎo)線晃動(dòng)時(shí)， 容易再次引入電磁干擾降低濾波性能，第三要盡量濾波器的接地點(diǎn)和設(shè)備取得一致，否則濾波器的泄漏電流和噪聲電流在流經(jīng)兩接地點(diǎn)的途徑時(shí)，會(huì)將噪聲引入設(shè)備內(nèi)的其它部分。

為了達(dá)到較好的濾波效果，所設(shè)計(jì)的電源噪聲濾波器使用的電感值選取的比較大，對(duì)于實(shí)用化來(lái)說(shuō)是偏高了。如果要將電感值降低，并且同時(shí)不影響到濾波器的濾波效果的話，可以考慮在濾波器前端再增加一級(jí)隔離變壓器以增強(qiáng)濾波器的濾波能力，保證降低電感值時(shí)不會(huì)影響到濾波器對(duì)噪聲干擾的抑制能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了噪聲濾波器的基本原理，以及共模濾波電路和差模濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)PSPICE對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波電路的測(cè)試結(jié)果表明濾波器有較強(qiáng)的濾波能力。對(duì)于10KHz的噪聲衰減效果能達(dá)到27dB，1MHz噪聲干擾的衰減能達(dá)到80dB以上，可廣泛用于電子測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(guān)電源、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。

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