EMI濾波器的防護設計說明.ppt

EMI濾波器的防護設計 濾波器 電源濾波器信號濾波器 電源線上既有mV級騷擾電壓 也有數(shù)百 上千伏瞬態(tài)騷擾 其中 浪涌 電快速瞬變脈沖群占88 5 電壓跌落占11 電壓中斷占0 5 特別是對敏感設備 會造成直接影響 是45 計算機丟失數(shù)據(jù)和發(fā)生故障的主要原因 電子設備含有CPU 開關電源 可控硅 變頻調速 馬達 繼電器等時 也會對外界產(chǎn)生騷擾 電源線濾波器 電源濾波器是由電感 電容和電阻構成 允許直流或50Hz的電流通過 對頻率較高的干擾信號有較大衰減 即低通高阻 一般選用實用濾波器主要從三個方面考慮 電流 電壓 插入損耗 結構尺寸 電源濾波器的原理 切斷干擾沿電源線或信號線傳播的路徑 與屏蔽共同構成完善的輻射和干擾防護 濾波器的作用 共模電感 差模電容 共模電容 電源濾波器的基本電路 截止頻率插入損耗額定工作電壓 電流環(huán)境特性體積 重量漏電流 電源濾波器的主要指標 濾波器的截止頻率 截止頻率的選擇必須保證濾波器的通帶覆蓋功能性信號的帶寬 保證設備的正常工作 同時最大限度的衰減干擾信號 EMI電源濾波器插入損耗的計算方法 插入損耗的定義經(jīng)典的濾波器理論是以插入衰減理論為基礎的濾波器設計方法 如轉移函數(shù)表示一個端口的電壓 電流 和另一端口的電壓 或電流 之間的關系 以電壓轉移函數(shù)為例 當輸出端開路時 電壓轉移函數(shù)定義為 電壓增益 V0 s VIN s 電壓衰減 VIN s V0 s 但EMI電源濾波器對干擾噪聲的抑制能力用插入損耗I L InsertionLoss 來衡量 插入損耗定義為 沒有濾波器接入時 從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后 噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比 用dB 分貝 表示 如我們采用A參數(shù)表示濾波器網(wǎng)絡 A參數(shù)矩陣為 則所以EMI濾波器插入損耗和插入衰減的定義不同不能直接照搬 為此EMI濾波器的插入損耗需要重新推導 低頻差模插入損耗的推導 單環(huán)差模插入損耗雙環(huán)差模插入損耗 插入損耗的原理圖 電源濾波器一般常用的典型電路從以上對開關電源干擾的分析和實測的結果 都說明開關電源的干擾頻率和頻域要比工頻電源的頻率50Hz 400Hz高得多和寬得多 因此 作為抑制干擾的電源濾波器應該是一個性能優(yōu)良的低通濾波器 它只讓工頻通過 要抑制除工頻外的一切無用或有害干擾頻率 由于電路近似對稱所以又具有雙向抑制功能 根據(jù)抑制干擾的能力又分為一般性能和高性能兩種電源濾波器 IL 20lg v1 v2 濾波器 V1 V2 同軸電纜 同軸電纜 同軸電纜 濾波器的插入損耗 濾波器插入損耗曲測試線 增加差模扼流圈后的效果 插入損耗的測量方法 MIL STD 220A或CISPR17出版物4 1提出的濾波器標準測量方法 1 共模插入損耗的典型測量方法根據(jù)插入損耗的定義 先要測量沒有濾波器時 負載50 上的電壓V1作為0dB的參考電壓 再測量有濾波器后 負載50 上的電壓V2 通過頻譜分析儀將20log V1 V2 隨頻率變化的結果顯示在屏幕上或通過接口打印出來 注意測量時 濾波器的輸入端和輸出端是并聯(lián)的 目的是取得共模插入損耗的平均值 同時也減少了測量次數(shù) 0 1 100 及100 0 1 阻抗測量方法 上述測量方法又稱為50 系統(tǒng)測量方法 即源和負載阻抗均在50 匹配的條件下測量 是目前許多濾波器制造商傳統(tǒng)沿用的測量方法 在實際情況 由于源阻抗和負載阻抗 設備的阻抗 不可能是恒定的50 所以實際獲得的濾波器插入損耗特性與用50 系統(tǒng)測量獲得的濾波器插入損耗特性不會相同 為此 CISPR出版物4 2 2 2部分提出一種近似的方法 即0 1 100 及100 0 1 系統(tǒng)測量方法 見圖5 59 Ly 0 3 38mH Cy 0 1 F漏電流 3 5mALx 幾十 幾百 HCx 0 1 F IL dB 20log 1 ZsZ1 Zt Zs Zl IL dB 20log 1 100X600 0 08 100 600 20log1072 61dB IL dB 20log E1 E2 實際濾波器特性 理想濾波器特性 dB fHz 電源線濾波器的特性 低通濾波器類型 單電感型濾波器 單電容型濾波器 ZC 實際電容 理想電容 f 引線長1 6mm的陶瓷電容器 1 2 LC C L 插入損耗 3dB L C數(shù)值決定 頻率 L C個數(shù)決定 截止頻率越低 濾波器的體積越大 成本越高 影響濾波器特性的參數(shù) 影響濾波器體積的主要因素 電感量 結構是否緊湊 體積小的濾波器 截止頻率高 低頻特性差高頻特性差 截止頻率越低 濾波器的體積越大 成本越高 選擇適當?shù)慕刂诡l率 不能單純追求濾波器體積小 插入損耗 頻率 這個干擾始終不能濾掉 并非級數(shù)越多性能越好 器件距離對高頻性能的影響 共模扼流圈中的負載電流產(chǎn)生的磁場相互抵消 因此磁心不會飽和 防止磁心飽和的方法 電源線濾波器的特性 損耗 頻率 理想濾波器特性 實際濾波器特性 一般產(chǎn)品說明書上給出的數(shù)據(jù)是50 條件下的測試結果 30MHz 越來越受到關注 電子設備 共模干擾電流 差模干擾電流 干擾電流的種類 國際耐壓規(guī)范 共模耐壓德國VDE0565 2高壓測試 AC P N E1 5kV 50Hz1分鐘瑞士SEV1055高壓測試 AC P N E2 Un 1 5kV 50Hz1分鐘美國UL1283高壓測試 AC P N E1kV 60Hz1分鐘其中瑞士SEV105規(guī)范要求最高為2KV 50Hz1分鐘差模耐壓德國VDE0565 1高壓測試 DC P N4 3UnkV1分鐘瑞士SEV1055高壓測試 DC P N4 3UnkV1分鐘美國UL1283高壓測試 DC P N1 414kV1分鐘其中美國UL1283規(guī)范要求最高為1 41KV 50Hz1分鐘P N耐壓測試采用直流電壓的原因是因為Cx容量較大 如果采用交流測試則要求耐壓測試儀的電流容量很大 造成成本高 體積大 采用直流電壓測試就不存在這種問題 泄漏電流與安全 任何典型濾波器電路的共模電容Cy都有一端接金屬機殼 從分壓角度看 濾波器金屬外殼都帶有1 2額定工作電壓 如工作電壓為220V AC 那么外殼帶有110V AC 電壓 因此從安全角度出發(fā) 濾波器通過Cy到地端的泄漏電流 LeakageCurrent 要盡可能地小 否則將危及人身安全 這里要說明的是 1 泄漏電流直接和電網(wǎng)電壓 電網(wǎng)頻率成正比 2 在檢驗濾波器泄漏電流時 一定要采用符合國際規(guī)范的測量電路 3 三相濾波器的泄漏電流應是各相泄漏電流之和 國際上泄漏電流的安全規(guī)范 射頻干擾濾波器 單路饋通濾波器 線路板安裝形式 面板安裝形式 饋通式安裝 底板安裝形式 雙路濾波器 多路濾波器 大電流饋通濾波器 小型饋通濾波器 高性能交流濾波器 高性能直流濾波器 圓形多路濾波器 D型濾波連接器 單相交流濾波器 三相交流濾波器 交流饋通濾波器 電磁干擾濾波器的型譜 傳導發(fā)射 傳導發(fā)射的對策 EMI濾波器的正確選擇和使用 選擇濾波器時 應首先選擇適合你所用的濾波電路和插入損耗性能 EMI源濾波器是以工頻為導通對象的低通濾波器 是在不匹配的條件下工作的 因為在實際應用中無法實現(xiàn)匹配 如濾波器輸入端阻抗Rs電網(wǎng)阻抗是隨著用電量的大小變化的 而濾波器輸出端的阻抗RL是隨電源負載的大小變化的 要想獲得理想的抑制效果 應遵循以下的連接規(guī)律 理由是顯而易見的 這種連接方式無論從輸入端或輸出端進入濾波器的電磁噪聲均能在濾波器內(nèi)獲得最大的抑制 失配的對應電路 或RL小 或 RS RL 大 大 RS小 RL 大 或RL小 或 大 RS RS小 按此原則如在實際運用中仍不夠理想時 應分析原因 原因之一 是對被防護設備的干擾源情況預計不足 特別是共模干擾 差模干擾誰重誰輕 因為頻譜儀檢測的是綜合參數(shù) 但可作如下分析 原因之二 是由于濾波器的電感和電容元件都受其分布參數(shù)的影響 頻率愈高 所受的影響愈大 在實際生產(chǎn)過程中 如果裝配工藝不嚴格 或者電感 電容元件離額定值的偏差過大 則產(chǎn)品插入損耗離產(chǎn)品說明書的插入損耗值就大 也會造成實際效果不夠理想 原因之三 是發(fā)生在重載和滿載的情況 造成的主要原由可能是濾波器中的電感器件在重載和滿載時 產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象 致使電感量迅速下降 導致插入損耗性能大大變壞 其中尤以有差模電感的濾波器為多 PCB 濾波器 輸入線較長 PCB 濾波器 輸入 輸出線耦合 電源濾波器的錯誤安裝1 接地不良時濾波效果變差 I 電源濾波器的錯誤安裝2 PCB 濾波器 濾波效果最佳 1輸入線盡量短2輸入 輸出線隔離3接地良好 電源濾波器的正確安裝 正確的安裝方法 1 為了濾波器的安全可靠工作 散熱和濾波效果 濾波器除一定要安裝在設備的機架或機殼上外 為了盡量縮短濾波器的接地線 濾波器的接地點應和設備機殼的接地點取得一致 見圖5 79所示 若接地點不在一處 那么濾波器的泄漏電流和噪聲電流在流經(jīng)兩接地點的途徑時構成地電流回路 會將噪聲引入設備內(nèi)的其他部分 其次 濾波器的接地線會引入感抗 導致濾波器高頻衰減特性變壞 所以金屬外殼的濾波器要直接和設備機殼連接 2 濾波器要安裝在設備電源線的輸入端 連線要盡量短 設備內(nèi)部電源要安裝在濾波器的輸出端 若濾波器在設備內(nèi)的輸入線長了 輸入線就會將引入的傳導干擾耦合給其他部分 見圖5 80 4 要將濾波器正確地連接到設備內(nèi)部的每一單元 若帶有單獨電源的若干單元安裝在同一個機架內(nèi) 那么必須把每一個單元視為設備的獨立部分 每一單元必須連接濾波器 否則在機架內(nèi)這些單元中的每一單元的干擾都會傳導給其他單元 見圖5 81 EMI濾波器設計使用實例 EMI濾波器設計使用實例 EMI濾波器設計使用實例 EMC測試結果舉例 開關電源DC DC模塊測試結果 圖中明顯看出開關頻率 580kHz 的基波和各次諧波 EMC測試結果舉例 電源線傳導騷擾抑制開關電源必須加電源濾波器 它的主要作用是抑制5MHz開關電源所產(chǎn)生的高次諧波 電源線上加鐵氧體磁環(huán) 一方面可抑制電源線內(nèi)的高頻共模傳導騷擾 另外一方面 能減小通過視盤機電源線輻射出去的騷擾能量 設計解碼板時應注意 1 電源線盡可能靠近地線 以減小差模輻射的環(huán)面積 2 時鐘線 信號線也盡可能靠近地線 并且走線不要過長 以減小回路的環(huán)面積 3 高速邏輯電路應靠近連接器邊緣 低速邏輯電路和存儲器則應布置在遠離連接器處 中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間 4 電路板上的印制線寬度不要突變 拐角應采用圓弧形 不要直角或尖角 5 對CMOS邏輯器件一般要安裝一個1000pF的去耦電容 其位置盡可能地靠近并聯(lián)在器件的電源和接地管腳 6 采用多層板 如四層板 由于多層板具有極低的分布源阻抗 更能避免共阻抗耦合 且提供屏蔽 7 板上和機殼的接地不能用細的導線 接地導線要短而粗 最好用銅柱 DC DC 濾波器 濾波器 保證通過CE102 減小電源紋波 即使沒有DC DC模塊 直流輸入濾波器對于電路也是必要的 線路板安裝方式濾波器的用途 關于提高匝數(shù)在高頻情況下 一般性能電源濾波器的共模等效電路可表示為 共模扼流圈分布電容對插入損耗的影響 可用上圖 a b 表示 a 表示線圈匝間的分布電容和高頻噪聲從分布電容通過的情況 b 表示共模扼流圈在同一電感值下 它的插入損耗與頻率特性隨分布電容 大小 的影響 分布電容為零 插入損耗頻響最好呈線性 分布電容愈大 插入損耗的頻響愈差 左圖表示共模扼流圈插入損耗與頻率特性受不同電感值的影響 在 100kHz時 電感值愈大插入損耗愈大 在 100kHz后情況相反 電感值愈大插入損耗反倒略小 這就是線圈受匝間和層間分布電容的影響 右圖表示SF扼流圈 用同一磁芯同一線徑導線繞制不同匝數(shù)的線圈時 它們的阻抗與頻率特性受不同匝數(shù)的影響 因此 某一頻段要獲得最大的插入損耗就應該選用最佳的匝數(shù) 關于磁材和電感的阻抗 電感中的損耗R 既與磁材的渦流損耗 滯磁損耗 剰余損耗等有關 也與頻率有關 這些損耗會變成熱能散發(fā)空間 由圖中所示的阻抗曲線看到fc附近R迅速增加 說明磁材吸收了電感中的高頻能量并轉換為磁材的內(nèi)部損耗 是利用磁材吸收能量的過程 f2是電感的分布參數(shù)滿足了諧振條件 但峰值的高低與磁材性能基本無關 差模扼流圈 高性能EMI濾波器為了提高差模噪聲的抑制性能 往往采取差模扼流圈與CX電容組成L T 等濾波電路 差模扼流圈與共模扼流圈的最大區(qū)別在于差模扼流圈與負載直接串聯(lián) 當通過差模扼流圈的電流過大時 會產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象 電感量隨之下降 下降的速度取決軟磁材料的B H 和 H 特性曲線 所以對磁材的選擇尤為重要 差模扼流圈采用單個繞組結構 軟磁材料主要有鐵粉芯 IRON 鐵鎳50 HF 鐵鎳鉬 MPP 即鉬坡莫合金 鐵硅鋁 MS 非晶 超微晶 硅鋼等 鐵鎳鉬可提供最大的Q值和最低的磁芯損耗 對溫度和對交流磁通變化最穩(wěn)定 是制作差模電感 整流濾波電感的最佳材料 但價格較貴 鐵鎳50具有15000Gs飽和磁通密度 磁芯損耗比鐵粉芯低得多 應用大電流場合可有效減小電感尺寸 鐵硅鋁的能量貯存容量比鐵鎳鉬還高 直流偏磁性能和損耗比鐵粉芯好 鐵粉芯的飽和磁通超過10000GS 直流偏磁性能較好 價格最低 可供選擇的規(guī)格多 目前應用最普遍 特別是設計得當?shù)脑?它的作用是濾除導線積各種工作所不需要的高頻干擾成份 信號濾波器按安裝方式和外形分 有線路板安裝濾波器 貫通濾波器和連接器濾波器等三種 信號濾波器 任何穿過屏蔽體或隔離體的導線或電纜都會破壞原有的屏蔽效果 對這導線 必須采取濾波措施 信號濾波器共模濾波為主 這是因為電纜上感應的電流一般都是共模形式的 而對信號電纜上傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?希望不產(chǎn)生任何影響 信號濾波器特點 濾波性能 濾波連接器的濾波性能是選用濾波連接器時的關鍵指標 濾波器的截止頻率必須高于電纜上要傳輸?shù)男盘栴l率 濾波器3dB插入損耗所對應的頻率為截止頻率 訂購產(chǎn)品時用濾波代碼來表征濾波特性 根據(jù)具體情況 可以用三種方法確定截止頻率 模擬信號 信號的頻率要低于截止頻率 脈沖信號 若上升 下降時間為tr 則1 tr小于截止頻率 脈沖信號 若脈沖信號的重復頻率是f 則15f小于截止頻率 6 1濾波器構造反射式低通濾波器6 2濾波器元件三端電容器饋通濾波器去耦電容器片狀電容器6 3電源線濾波器6 3 1共模和差模騷擾信號6 3 2網(wǎng)絡結構6 3 3插入損耗6 3 4按裝方法6 4信號線濾波器 騷擾源阻抗 濾波器類型 負載阻抗 低 高 低 高 高 低 低 高 源負載阻抗與濾波器網(wǎng)絡結構的選擇 三端電容器的原理 引線電感與電容一起構成了一個T形低通濾波器在引線上安裝兩個磁珠濾波效果更好 地線電感起著不良作用 三端電