隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容性問(wèn)題成為電路設計工程師極為關(guān)注和棘手的問(wèn)題。根據多年的工程經(jīng)驗，大家普遍認為電磁兼容性標準中最重要的也是最難解決的兩個(gè)項目就是傳導發(fā)射和輻射發(fā)射。為了滿(mǎn)足傳導發(fā)射限制的要求，通常使用電磁干擾（EMI）濾波器來(lái)抑制電子產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導噪聲。但是怎么選擇一個(gè)現有的濾波器或者設計一個(gè)能滿(mǎn)足需要的濾波器？工程師表現得很盲目，只有憑借經(jīng)驗作嘗試。首先根據經(jīng)驗使用一個(gè)濾波器，如果不能滿(mǎn)足要求再重新修改設計或者換另一個(gè)新的濾波器。因此，要找到一個(gè)合適的EMI濾波器就成為一個(gè)費時(shí)且高成本的任務(wù)。
電子系統產(chǎn)生的干擾特性
解決問(wèn)題首先要了解電子系統產(chǎn)生的總干擾情況，需要抑制多少干擾電壓才能滿(mǎn)足標準要求？共模干擾是多少，差模干擾是多少？只有明確了這些干擾特性我們才能根據實(shí)際的需要提出要求。
從被測物體的電流路徑來(lái)看，干擾信號回流路徑可能通過(guò)地線(xiàn)，或者通過(guò)其它電網(wǎng)，如圖1所示。通過(guò)地線(xiàn)的干擾電流在電源網(wǎng)上產(chǎn)生同相位的共模干擾電壓。通過(guò)其它線(xiàn)在兩根電源線(xiàn)上產(chǎn)生反相的差模干擾電壓。干擾電流的路徑如圖2所示。
圖1 干擾信號的回流路徑
圖2 a）差模干擾濾波和b）共模干擾濾波
通常有四種技術(shù)可進(jìn)行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實(shí)際使用中，經(jīng)常是混合使用其中的兩種，甚至多種技術(shù)。它們是：
正負極電源線(xiàn)之間添加電容，即X電容；
每根電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間添加電容，即Y電容；
共模抑制（兩根電源線(xiàn)上的抑制線(xiàn)圈同向繞線(xiàn)）；
差模抑制（每根電源線(xiàn)有它自己的抑制線(xiàn)圈）。
電容的作用是將高頻干擾電壓“短路”，另外，當干擾信號頻率很高時(shí)，抑制線(xiàn)圈將產(chǎn)生很大的交流阻抗。圖2顯示了兩種濾波類(lèi)型的結構，其中，LISN是用于測量目的的線(xiàn)性阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )。如果是共模問(wèn)題引起的干擾，Ｘ類(lèi)型電容基本上沒(méi)有作用，因為兩線(xiàn)上的干擾電壓是一樣的。因此，了解干擾類(lèi)型對于選擇合理的電路結構將起重要作用，并為解決問(wèn)題提供技術(shù)依據。
在標準電磁兼容性測試實(shí)驗室可得到設備的總干擾情況，但無(wú)法了解設備的共模干擾和差模干擾特性。為了在測量中分辨共�；蛘卟钅８蓴_信號，通用的儀器是很難實(shí)現的。使用專(zhuān)用的傳導測試儀，可獲得設備的總干擾、共模干擾和差模干擾。測試結果如圖3所示。
圖3 傳統測試儀獲得的總干擾、共模干擾和差模干擾
電源輸入阻抗特性
濾波器的制造商給出的濾波器插損是在50W標準阻抗系統中的性能。眾所周知，電源的輸入阻抗隨著(zhù)頻率的變化具有不連續性。阻抗的改變導致濾波器的插損特性產(chǎn)生很大的變化。
由圖4可見(jiàn)，在一個(gè)50W的系統中，100mH的濾波器提供約18dB的衰減，但是在一個(gè)500W系統中只提供約4dB的衰減。同樣對于100nF電容器；在50W系統中，1MHz時(shí)大約23dB的衰減在5W系統中降至7dB。
上面的例子說(shuō)明，選擇一個(gè)具有很高插損的濾波器也不能很好抑制傳導噪聲的原因是，電源輸入端阻抗的影響。因此，設計者除了選擇一個(gè)合適的濾波器之外，還需要了解電源的阻抗特性、共模阻抗和差模阻抗。阻抗測試可以借助專(zhuān)用的阻抗測試儀或者傳導分析儀。一種濾波器的共模阻抗（a）和差模阻抗（b）的變化如圖5所示。
圖4 a）100uh電感的衰減 b）100nF電容器的衰減
圖5 a）共模阻抗和b）差模阻抗的變化
濾波器的設計
知道設備的干擾特性和輸入阻抗特性后，設計或者選擇一個(gè)濾波器就變得簡(jiǎn)單了。如果使用一個(gè)現成的濾波器，可以調用過(guò)去積累的濾波器數據庫，比對濾波器參數，找到一個(gè)合適的濾波器。如果沒(méi)有合適的或者想專(zhuān)門(mén)設計一個(gè)專(zhuān)用濾波器，可以借助專(zhuān)用的濾波器設計軟件。在確定一個(gè)濾波器模式后輸入濾波器一些簡(jiǎn)單的約束條件，設計軟件根據阻抗特性自動(dòng)計算出最合適的組件值，以及提供最合適的衰減。（如圖6所示）
圖6 一種由軟件設計的最佳濾波器
設計結果
在對某產(chǎn)品進(jìn)行了干擾特性和阻抗特性測試后，需要解決一個(gè)低于5MHz的低頻干擾問(wèn)題。專(zhuān)用濾波器設計軟件結合前面得到的測試數據給出了濾波器的元件參數：包括470nF的X電容器，2.2nF的Y電容器和15.1mH的共模電感。但是有經(jīng)驗的濾波器設計人員認為采用一個(gè)13.5mH共模電感的濾波器是足夠了。使用一個(gè)13.5mH包括額外高頻組件的濾波器的發(fā)射情況如圖7所示。
圖7 最小15mH的系統使用和18mH時(shí)的測試結果
為了驗證軟件的設計數據，將470nF、2.2nF和18mH的非定制的濾波器迅速連接到系統中，獲得中心頻率小于5MHz，并且無(wú)需高頻濾波器。結果清楚地表明，最小15mH的限制是合適的。
結語(yǔ)
EMI濾波器的設計應該充分考慮干擾特性和阻抗特性，在阻抗測試和干擾特性測試數據基礎上進(jìn)行設計是精確濾波設計的唯一方法。 |
