电源滤波器基本知识

电源滤波器基本知识一、 术语定义1. 额定电压EMI滤波器用在指定电源频率的工作电压（中国：250V, 50Hz，欧洲： 230V，50Hz；美国：115V, 60Hz)2.额定电流在额定电压和指定温度条件下（常为环境温度40），EMI滤波器所容许的最大持续工作电流（Imax）。在其她环境温度下的最大容许工作电流是环境温度的函数，可用如下公式得出： 3.实验电压在EMI滤波器的指定端子之间和规定期间内施加的电压。实验电压分为两种，一种是加载在电源（或负载）端子之间，称为线-线实验电压；另一种是加载在电源（或负载）任一端与接地端（或滤波器金属外壳）之间，称为线-地实验电压。4.泄漏电流EMI滤波器加载额定电压后，断开滤波器的接地端与电源安全地线的条件下，测得接地端到电源（或负载）任一端间的电流，该值直接与接地电容的容量有关，可由如下公式得出： 其中F为工作频率，C为接地电容的容量，V为线-地电压 5.插入损耗是衡量滤波器效果的指标。指的是在一定条件下，EMI滤波器对干扰信号的衰减能力。它用滤波器插入前信号源直接传送给负载的功率和插入后传送给负载的功率的对数来描述。在50系统内测试时，可用下式来表达：IL=20Lg(E0/E1)其中，IL-插入损耗（单位：dB）EO-负载直接接到信号源上的电压E1-插入滤波器后负载上的电压 6.气候级别指EMI滤波器的工作环境级别，按IEC规定应按如下方式标注：XX/XXX/XX前2位数字代表滤波器的最低工作温度中间数字代表滤波器的最高工作温度后2位数字代表质量认定期在规定稳态湿热条件下的实验天数7. 绝缘电阻绝缘电阻是指滤波器相线，中线对地之间的阻值。一般用专用绝缘电阻表测试。 8. 电磁干扰（EMI）电磁干扰常常与无线电频率干扰（RFI）交替使用。从技术上来说，EMI指的是能量形式（电磁），然而RFI指的是噪声频率的范畴。滤波器用以消除EMI和RFI中的多余电磁能。 9. 频率范畴电磁能量的频率带宽常用赫兹（Hz，每秒循环次数），千赫（KHz, 每秒循环千次数）表达。电源滤波器的典型频率范畴在150kHz to 30MHz（超过30MHz，即为辐射） 10.阻抗失配为了达到更好的滤波效果，要使滤波器与它的源阻抗和负载阻抗失配。如图所示。 11.工作频率 电源滤波器的工作频率标称值为50/60Hz(中国、欧洲等为50Hz;北美为60Hz)。然而，电源滤波器在直流或400Hz的状况下工作，并不会损害其效力。二、滤波器的作用1.什么是射频干扰（RFI）？RFI是指产生在无线电通讯时，所用频率范畴内的一种多余的电磁能。传导现象的频率范畴介于10kHz到30MHz间；辐射现象的频率范畴介于30MHz到1GHz间。2.为什么要关注RFI？之因此必须考虑RFI，基于两点因素：（1）她们的产品必须在其工作环境下正常运营，然而该工作环境常常随着有严重的RFI。（2）她们的产品不能辐射RFI，以保证不干扰对健康及安全都至关重要的射频（RF）通讯。法律已对可靠的RF通讯做出了规定，以保证电子设备的RFI控制。3. 什么是RFI的传播模式？RFI是通过辐射（电磁波在自由空间里）进行传播的，并经信号线及AC电源系统进行传导。辐射将RFI从电子设备辐射出去的一种最重要的媒介是AC电源线。由于AC电源线的长度达到了数字设备中及开关电源的频率相应波长的1/4，这正好构成了一支有效的天线。传导RFI 在AC电源系统上是以两种模式进行传导的。共膜（不对称）RFI是在线-地（L-G）及中性线-地（N-G）两种途径中浮现，而差模（对称）RFI则以电压形式出目前线-中性线（L-N）上。 4. 什么是电源线干扰滤波器？随着当今世界的迅速发展，越来越多的高功率电能产生了，与此同步越来越多的低功率电能被用于数据的传播与解决，以致于产生了更多的影响，甚至破坏电子设备的噪声干扰。电源线干扰滤波器是一种重要的滤波手段，用以控制从电子设备进入（潜在的设备误动作）和出来（对其她系统或RF通讯潜在的干扰）的RFI。通过控制RFI导入电源插头，电源线滤波器还大大克制了RFI的辐射。电源线滤波器是一种以双低通道滤波构造排列的、多通道网络无源元件。一种网络用于共模衰减，另一种用于差模衰减。网络在滤波器的“止频带”（一般在10kHz以上）内提供RF能量衰减，而对通过的电流（50-60Hz）基本上不进行衰减。 5. 电源线干扰滤波器是如何进行工作的？作为无源、双边的网络，电源线干扰滤波器具有复合的转换特性，这种特性极大地取决于源及负载阻抗。转换特性的量值阐明了滤波器的衰减性能。然而，在电源线环境中，源和负载阻抗是不拟定的。因此工业上已有了验证滤波器一致性的原则做法：用50欧姆的阻性源及负载端测量衰减限度。该测量值定义为滤波器的插入损耗（I.L）I.L. = 10 log * (P(l)(Ref)/P(l)这里P(l)(Ref)是从源转化到负载的功率（不带滤波器）；P(l)是在源与负载间插入一种滤波器后的转换功率。插入损耗还可用如下电压或电流比的形式表达：I.L. = 20 log *(V(l)(Ref)/V(l) I.L. = 20 log *(I(l)(Ref)/I(l)这里V(l)(Ref)及I(l)(Ref)是无滤波器时的测得值，V(l)及I(l)是带滤波器时的测得值。值得引起注重的插入损耗并不代表在电源线环境中，由滤波器提供的RFI衰减性能。在电源线环境中，源及负载阻抗的相对量值必须进行估计，并选择合适的滤波构造，使在每个终端浮现最大也许的阻抗不匹配。滤波器取决于终端阻抗的这种性能，是“不匹配网络”概念的基本。6. 如何进行传导实验？传导实验需要一种安静的RF环境-一种屏蔽罩壳-一种线阻抗稳定网络，和一种RF电压仪器（如调频接受器或频谱分析仪）。实验的RF环境应至少低于所需规范限制的20dB，以便得出精的确验成果。需要线阻抗稳定网络（LISN）来为电源线输入建立一种所要的源阻抗，由于该阻抗直接影响到测得的辐射级别，因此是实验程序的一种非常重要的部分。此外，测量接受器对的的宽带也是实验的一种核心参数。 三、滤波器参数和测试措施1. 什么是电源滤波器的重要规格参数？对供方或客户来讲，为了保证合格元件的使用不受干扰，采用同样的技术来验证电气参数是相称重要的。必须清晰理解的三种参数是：高压测试、泄漏电流和插入损耗。2. 如何测量插入损耗？最常用的设立是使电源和阻性负载阻抗均为50。插入损耗的测量最重要的一点是一致性，具体测试措施如下：使用频谱分析仪，或调频接受器或跟踪发生器，在不带滤波器时建立一种零dB参照点。然后插入滤波器，记录在所需频率范畴内提供的衰减。对于电源线滤波器，我们感爱好的是两种不同模式的衰减： 共模（CM）干扰信号-相线（L）与地（E）和中线（N）与地（E）间的信号。即图5中的U1和U2。差模（DM）干扰信号-相线（L）与中线（N）间的信号。即图5中的U3。由于电源滤波器既能克制共模EMI信号，又能克制差模EMI信号，因此插入损耗也应有共模插入损耗和差模插入损耗。在测量共模插入损耗时，将滤波器电源端的L和N并在一起，信号源接在电源端和接地端之间。同步滤波器负载端的L和N也并在一起，接受机接在电源端和接地端之间，如图6所示。在测量差摸插入损耗时，要分别在信号源和接受机端接入不平衡-平衡变换器和平衡-不平衡变换器，如图7所示。本手册给出的共模和差模插入损耗是按上述规定测得的。尚有其她插入损耗的测量措施，请参见有关资料。需要阐明的是，本手册提供的EMI滤波器的插入损耗与实际使用的滤波器的对干扰信号的衰减不会等同，有时还会相差甚远。这是由于本手册给出的插入损耗是在50系统内测得的，而实际应用时EMI滤波器端接的阻抗不是50，这是产生差别的主线因素。3. 插入损耗有何作用？原则插入损耗数据不能精确地得出滤波器在设备中的性能，但是可以作为进料检查时验证产品吻合性的重要手段。判断原则为：以原则方式所测得的插入损耗必须满足或超过样本上的数据。也就是说，“典型”插入损耗数据是无意义的。您所测得的数据应为最小值。样本上的大多数插入损耗数据是其能保证的最小值，可以测试此值，以阐明元件的符合性。 4. 什么是高压测试高压测试针对的是滤波器的电容组件及绝缘部分，它通过施加一种比正常运营电压高许多的电压来测试。高压测试的目的在于保证该滤波器的安全及可靠性。所有重要的安全机构都需要对电源线滤波器进行高压测试，此外还规定每个产品在生产时要进行高压测试，以验证线对地元件及绝缘体的整体性。每个滤波器都通过两次高压测试：一次是在组装过程中，一次是在装成成品后。将高压测试作为一种进料检查程序，需要全面地理解其使用及限制。高压测试时电压施加于每根线（对VDE，两根线绑到一起）到地和线到线、线到地电压一般要高些。实验电压可觉得AC或DC，DC电压至少是AC电压的1.414倍。对进料检查实验，我们建议使用每种滤波器阐明页上的“实验电压”一栏所规定的值。根据国际安全原则的规定，实验电压的测试环节为 1） EMI滤波器的负载端不接负载 2） 施加到滤波器规定端子之间的实验电压应按一定的速率，逐渐升高并达到规定幅值 3） 在规定期间内保持该电压不变。在此过程中，滤波器不应当被击穿。 需要提请顾客注意的是： 1） 这些电压也许是致命的，请采用最安全的措施来保护实验作业者。 2） 不能在滤波器上反复多次施加实验电压，否则要损坏滤波器。我司生产的EMI滤波器在出厂时已所有进行了2次实验电压的加载测试； 3） 实验电压必须按一定的速率逐渐升高，最后达到规定幅值。不能用直接加试电压的措施来进行测试，即在很短的时间内把实验电压从零增长到规定幅值，会损坏滤波器。 4） EMI滤波器在质量鉴定期，施加的实验电压时间为1分钟，而在生产检测时，施加的实验电压 5） 对线到线高压测试：大多数滤波器具有一种泄漏电阻（典型值为100K到10M）来对线到线电容放电。要保证高压测试仪跳闸点的设立高于泄漏电阻上流过的电流：10mA一般是一种安全值。 6） 三相EMI滤波器的实验电压的实验措施同单相EMI滤波器。 5. 什么是泄漏电流泄漏电流是电源线滤波器的一种重要参数。它虽不是产品品质的一种函数，但却是线对地电容值的一种直接函数。电容值越大，对共模电流的阻抗越小，共模干扰克制越大。因此，泄漏电流是滤波器性能的一种指标，越高越好。安全机构要指定最大容许泄漏电流是为了限制预期的接地返回电流值。线对地电容对50Hz/60Hz电流提供了流向机壳的通道。只要设备接地，这些电流将在接地回路中流动，并不会导致危险。但是人们要懂得，接地回路再可靠，也存在概率极小的失效，此时接地回路的沟通也许通过人体。为避免这种状况的发生，最大泄漏电流参数必须要有限制，将接地返回电流限制为一安全值，典型为0.5到5.0mA。安全机构规定的限制是基于最后顾客设备的参数，如下表所示：国家规范对1级接地设备的限制USAUL19503.5mA,120V.60HzCanadaC22.2 No.9503.5mA,120V.60HzEuropeEN609503.5mA,250V.60Hz由于泄漏电流的最大来源一般是电源线滤波器，因此对滤波器自身，设立最大泄漏电流限制时要非常谨慎。在工业上有一种倾向，就是规定最小泄漏电流，以符合所有安规规定，一般为0.5mA。这种规定不应随意决定，由于容许一种较大的泄漏电流也许使滤波器的成本减少、外形减小。EMI滤波器漏电流测量环节如下： 1） EMI滤波器的负载端不接负载。为了测试安全，建议在电源端插入隔离变压器。 2） 将单刀双掷开关S分别与滤波器的L和N端相连，在S和E端之间接毫安表。 3） 在EMI滤波器电源端加载额定电压，当S分别与L和N端接通时，从毫安表上可读到2个漏电流数值，这两个数值都必须不不小于规定的漏电流值。四、滤波器选择和使用注意事项1. 如何选择电源线干扰滤波器？有的顾客觉得EMI滤波器的插入损耗越高越好，滤波网络的级数越多越好。其实这并不是选择滤波器的对的措施。此外，级数越多的滤波网络，价格越贵，体积和重量也越大。其实选择和评估电源线滤波器的唯一措施是将其装到设备上进行实验。正如上面所提到的滤波器，性能很大限度上取决于设备负载阻抗。而不能单一从阻抗（50）插入损耗数据来推导，它是一项滤波元件阻抗与设备阻抗的复杂函数，其量值及相位在频率范畴内有变化。滤波器选择实验所规定的传导辐射控制（FCC，VDE）及敏捷性控制的不同性能级别在设备上进行。2. 是不是所有具有相似电路及元件值的滤波网络,性能都相似?所有具有相似电路及元件值的滤波网络,性能并不同样.元件值是在某一频率(一般为1KHz)时指定和测得的,而滤波器的性能是在整个频率范畴内都需要的,而不仅仅在元件测量时的频率。元件的构造形式及接入滤波器的措施，对滤波器的性能都是相称重要的。3. 安装对滤波器的性能重要吗？安装及接线对滤波器的性能影响较大。电源线滤波器最佳安装在设备的电源线输入端。滤波器是高频信号的障碍，其作用决不能因离散电容耦合电源输入线与电源输出线或受保护设备的任何其他导体而失效。 在安装电源滤波器时，要注意如下几点： 1） 电源滤波器的外壳与设备地之间必须有良好的电气连接。不要把滤波器安装在绝缘材料板或喷漆表面上，要安装在金属机壳上。还要避免使用长接地线，这样会大大增长接地电感和电阻，从而严重减少滤波器的共模克制性能。比较好的措施是：用金属螺钉与弹簧（星行）垫圈将滤波器的金属屏蔽外壳牢牢固定在系统电源入口处的机壳上，或用铜编织麻花接地带与地点相连。 2） 在捆扎设备电缆时，严禁将滤波器的输入输出电缆捆扎在一起。由于这样加剧了滤波器输入输出之间的电磁耦合，严重破坏滤波器对EMI信号的克制能力。 3） 不要将滤波器安装在设备屏蔽的内部。由于这样，设备内部电路及元件上的EMI信号会因辐射在滤波器的端引线上生成EMI信号而直接耦合到设备外面去，使设备屏蔽丧失对内部电路和元件产生的EMI辐射的克制。 4） 建议运用设备原有的屏蔽，将滤波器的输入输出端有效的隔离开来，将滤波器输入输出端间也许存在的电磁耦合控制到最低限度。 一般滤波器的壳体是接到所保护设备的框架或机壳上，线侧导线应保持短小并与负载侧导线较好地隔离。抱负的隔离系统是壁装滤波器，带有进线插座。滤波器的建议安装方式和注意事项如下：4. 阻抗失配推荐图 五、 滤波器的安全认证1. 为什么要考虑安规规定？在AC电源系统中，所有元件涉及电源滤波器，都必须是安全的，没有潜在的火灾或电击隐患。像UL，CSA，VDE这些不同的安全机构规定的原则，为设计员提供了拟定安全及可靠元件的指南。有这些安全机构认证标志的元件是按这些原则设计并制造。 2.滤波器的有关安规原则有哪些？1）IEC939-1：克制射频干扰整件滤波器 第一部分:总规范 （相应GB/T15287 GB15287-1994） 2）IEC939-2：克制射频干扰整件滤波器 第二部分:分规范 实验措施的选择和一般规定 （相应GB/T15288 GB15288-1994） 3）UL 1283：电磁干扰滤波器 4）CSA C22.2 No.8：电磁干扰滤波器 5）CISPR17：无源无线电干扰滤波器和克制元件克制特性的测量措施 产品类 （相应GB7374） 6）UL1414：无线电通信类设备的电容与干扰克制器原则 7）IEC3351：家用或类似电器设备的安全.第一部分:总规范 8）EN60939：克制射频干扰整件滤波器 9）EN60384-14：电子设备用固定电容器 第14部分:克制射频干扰用固定电容器:实验措施的选择和一般规定 10）GB7343：10KHz-30MHz无源无线电干扰滤波器和克制元件克制特性的测量措施 3. 安规认证的标记和相应的原则UL 认证UL 1283 CSA 认证CSA C22.2 No.8 Semko 认证EN60939 VDE认证EN60939 电源滤波器的基本原理电源滤波器是由电感和电容构成的低通滤波电路所构成，它容许直流或50Hz电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。 电源滤波器的重要指标 当我们选用电源滤波器时，应重要考虑三个方面的指标；一方面是电压/电流，另一方面是插入损耗，最后是构造尺寸。由于滤波器内部一般是通过灌封解决的，因此环境特性不是重要问题。但是所有的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定的影响。 a）电压、电流对使用效果的影响 电源有交流直流之分，与此相相应，许多厂家的电源滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲，交流电源滤波器既可用在交流电源上，也可在直流电源上使用；但直流电源滤波器不能用在交流的场合，这重要由于直流滤波器中的电容器的耐压较低，并且有也许其交流损耗较大，导致过热。虽然直流滤波器耐压没有问题，由于直流滤波器中使用了容量较大的共模滤波电容器，如果在交流的场合会产生漏电流超标的问题。因此，直流电源滤波器绝对不能用在交流的场合。交流滤波器用在直流场合，从安全的角度看没有问题，但要付出成本和体积的代价；在样机阶段，如果手头正好有交流滤波器，可以替代直流滤波器。当电源滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会导致滤波器过热，并且会导致滤波器的低频滤波性能减少。这是由于滤波器中的电感在较大电流的状况下，磁芯会发生饱和现象，使实际电感量减小。因此，拟定滤波器的额定工作电流时，要以设备的最大工作电流为准，保证滤波器在最大电流状态下具有良好的性能，否则当干扰在最大工作电流状态下浮现时，设备会受到干扰或传导发射超标。在拟定滤波器的额定电流时，要留有一定的余量；特别是人们习惯上对交流电称“有效值”，而不是交流电的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般滤波器的额定电流值应取实际电流值的1.5倍。b) 插入损耗对使用效果的影响： 从克制干扰的角度考虑，插入损耗是最重要的指标。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。 选用电源滤波器是如何拟定所需要的插入损耗一方面在设备的电源入口处不安装滤波器，对设备进行传导发射和传导敏感度的测量，并与要满足的原则进行比较，看两者之间相差多少分贝，滤波器的作用是弥补上这个差距。以克制设备的传导发射为例，给出了拟定滤波器插入损耗的过程。一方面将设备的传导发射值最大包络线（a）与原则给出的限制值线（b）相比较，计算其差值得到需要的插入损耗值（c）。由于电源滤波器是低通滤波器将插入损耗线（c）变换为低通滤波器插入损耗的形式（d），（d）就是滤波器需要的插入损耗值。注意: （d）并不是低频滤波器的特性，而是一种带阻滤波器的特性，这是考虑到实际滤波器的非抱负性。但如果从厂家的产品样本上选择插入损耗值满足（d）的滤波器，十有八九会失败。由于厂家产品样本上的数据是在滤波器两端阻抗为50的条件下测得的，而实际使用条件并不是这样。因此在实际使用条件下，滤波器的插入损耗会有所减少。为了保险起见，在从产品样本中选择滤波器时，应加20dB的余量，这就得到了（e）。从样本上选择滤波器，其插入损耗应满足（e）的规定。 实际电源滤波器与抱负滤波器的差距抱负的电源滤波器是低通滤波器，但实际的电源滤波器一般是带阻滤波器。导致这种差别的因素是电容器和电感器的非抱负性。电容器的引线是有电感的，而电感线圈上又存在着寄生电容，尽管这些电感、电容很小，但当频率较高时，它们的影响是不能忽视的。因此由实际电感、电容器构成的低通滤波器电路在频率较高时，就变成了一种带阻滤波器电路。此外，高频时器件之间的耦合也是导致滤波器在高频区间插入损耗减小的一种因素。从图可以看到，器件之间的距离对滤波器的高频性能有很大的影响。这种影响在1MHz时就已经很明显了。因此，虽然滤波器的电路构造完全相似，由于器件的特性不同、器件的安装方式的不同、内部构造的不同，它们的高频性能会差诸多。滤波器的电路构造仅决定了滤波器的低频特性。要想提高滤波器的高频性能，生产时需要从许多方面注意制作工艺，如选用电感小的电容器、制作寄生电容小的电感、焊接时电容器的引线尽量短、在内部采用合适的隔离等。 电源滤波器高频插入损耗的重要性许多人觉得，既然传导发射极限值的频率上限30MHz，那么就没有必要对滤波器的高频衰减提出规定。这是一种误解，也正是存在这种错误的概念让许多人在使设备满足电磁兼容原则的过程中走了很长弯路，挥霍了大量的时间和经费。由于设备上的电缆是高效的辐射天线，当电缆上有高频传导电流时，会产生强烈的辐射，使设备不能满足辐射发射极限值的规定。因此，当电源线上有高频干扰电流时，同样也会产生辐射，使设备的辐射发射超标。对于一种没有电磁兼容经验的人来说，这个问题是很难发现的；由于当她所开发的设备辐射发射超标时，它会从机箱、信号电缆等环节检查（这是许多教科书和培训班中所简介的），而主线想不到会是电源线的问题。特别是设备的电源线传导发射已经满足了原则规定期，它绝想不到应再次检查电源线与否有问题，因此，电源滤波器的高频特性是十分重要的。特别提示：当设备的辐射发射不合格时，别忘掉检查电源线的共模传导发射，诸多场合辐射发射的超标时由于电源线上的共模电流导致的。