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电磁干扰滤波器综述

TDK-Lambda 公司 Mel Berman?? 2008年12月08日 ?? 收藏0

  选择这些器件需要确定干扰的类型和来源,及其适用的标准

  现在生产的所有电子设备都包含电磁干扰滤波电路。同样,所有开关型电源都有内部的电磁干扰滤波器。但是,在有些环境中,这些电子器件的电磁干扰滤波器需要辅助滤波器,以便满足更加苛刻的电噪声管制或者保护器件免受过多的外部噪声源干扰。

  定义噪声

  电磁干扰可以是传导型的电磁干扰,也就是说干扰噪声沿着电导体、电线、印刷电路的线路或者变压器、电感、电容、半导体以及电阻器等电子元件传输。

  电噪声也可以是辐射型电磁干扰(RFI),它像磁场或无线电波一样通过空气或自由空间传输。辐射性电磁干扰通常是由提供金属屏蔽的方法来控制的,金属屏蔽包含设备外壳内的磁场或无线电波。

  满足电磁兼容性(EMC)标准

  使用电磁干扰滤波电路是为了使最终产品满足适用的电磁兼容性标准。被引用最多的电磁兼容性标准是适用于IT设备的EN55022,适用于工业设备的EN55011以及在美国国内适用于商品或工业设备的FCC的A级标准,或者适用于住宅设备的FFC的B级标准。

  FCC的B级标准要比A级标准更加严格、限制也更多。对于大部分此类标准,传导型电磁干扰频率范围通常被定义在150kHz~30MHz之间,正如频谱分析仪的测量结果。在有些情况下,这个范围的下限会低至10kHz。与之形成对比的是,辐射型电磁干扰通常定义在30MHz~1GHz范围内。

  电磁干扰源

  大部分电气和电子设备都会产生电磁干扰,而且会受电磁干扰影响。它无处不在,其中包含交流电动机、荧光灯/镇流器、调光器、微波炉、微处理器以及开关型电源。

  在开关型电源中,高交流电压将在50kHz~1MHz的较高频率范围内被截断或转换。这种高速的开关过程是开关型电源所固有的,与线性电源相比,它提高了效率并减小了体积。

  但是,这会产生一种副作用,即这种开关会产生有害的电磁干扰。事实上,开关型电源中大部分传导型电磁干扰来源于主开关MOSFET、晶体管以及输出整流器。

  无论是在电源还是在电子设备的内部,保持内部产生的噪声不向外泄漏以及防止外部交流线路噪声进入设备,这正是电磁干扰滤波器的功能。电磁干扰滤波器通常由无源电子元件的网络组成,这些元件包括电容和电感,它们组成LC电路。

  因为有害的电磁干扰的频率要比正常信号频率高得多,所以电磁干扰滤波器是通过选择性地阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。基本上,电磁干扰滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流线路频率通过,同时它还是一个高频截止器件。

  电磁干扰滤波器的其他部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声,使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。最终结果是,电磁干扰滤波器显著降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号。

  共模和差模噪声

  传导型电磁干扰主要分为两种类型:共模噪声(CMN)以及差模噪声(DMN)。共模噪声又称为非对称噪声或线路对地的噪声,在交流输入的两端(输电线和中线)都存在这种噪声,两者对地的相位保持同相。

  共模噪声的电流在两个输电线上以相同的方向流动并通过地线返回。共模噪声可以通过在电磁干扰滤波器中放置与每条输电线串联的电感并在两个输电线和地之间使用Y电容进行连接来予以抑制。

  差模噪声又称为正常型、对称噪声或线路间噪声,它存在于交流线路和中性导线中,二者相位差为180°。差模噪声的电流沿着一条交流线流出,并沿着另一条交流线返回。在地线中不存在差模噪声电流。

  差模噪声可以通过在电磁干扰滤波器中使用X电容进行抑制,电容连接在输电线(输电线和中线)之间,对差模信号起到高频分流的作用。在差模噪声非常大的情况下,可能需要增加差模抑制电感。有些混合型电感所包含的线圈可以同时抑制共模和差模噪声。

  寄生噪声

  寄生噪声与电路中意外产生或传输的电噪声(共模噪声和差模噪声)有关。例如,安装在PCB上的开关型半导体器件或带有细小绝缘体的散热片可能会包含少量的寄生或杂散电容元件。

  这些在高频处被忽视的杂散电容元件,或者其带有非常快速的开关脉冲上升和下降时间,会促进寄生噪声向电路或系统中其他部分的传输和耦合。这一点适用于所有的电子元件。

  例如,在变压器的线圈之间存在无法完全消除的少量电容元件。同样,在电容和印刷电路的线路内部,在高频处会存在很小的电感元件,它们会导致有害的寄生噪声在点与点之间传播。寄生噪声是开关型电源以及许多电子OEM产品中共模和差模噪声的一种主要形成因素。

  这张原理图显示了一种用于抑制传导型电磁干扰噪声的典型电磁干扰滤波器。在图1中,共模噪声是通过使用双重缠绕的环形电感来进行抑制的(LCM1和LCM2)。这些电感在单个铁芯上的缠绕方式使得它们对每条交流电线上的同相共模噪声表现出很高的阻抗。此外,Y电容(CY1和CY2)将高频共模噪声分流或分路到地。

 原理图

图1 原理图

  每条交流电线上的差模噪声是通过2个X电容(CX1和CX2)来进行抑制的,这两个电容趋向于将交流输电线和中线之间存在的非同步高频差模噪声中和。在供电切断之后,这些电容将通过输入电阻进行放电。


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电磁干扰? 滤波器? 噪声? EMC?

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