简介
从头说起,什么是an滤波器?电滤波器可以是无源、有源、模拟或数字滤波器。它是一种通常由离散元件组成的器件,可以放置在电路、网络或设备/系统之间,以增强、减弱或控制所需或不需要信号的频率成分。术语“信号”可以是通信或功率类型的信号。滤波器在其输入端接受电信号,并根据滤波器的内部配置在其输出端提供不同的或经过修改的信号。一般的术语滤波器,当然也可以用于控制和信号类型的线路上的设备。然而,在本文中,我们将重点讨论AC/市电EMI (Electro米agnetic我干扰)功率型滤波器。
滤波器的分类:
为什么我们需要EMI滤波器?
一个原因是,监管机构要求传导和辐射排放必须限制在规定的限值以下,但机组还必须通过免扰/瞬态要求。设计人员经常忘记,EMI滤波器可以帮助满足抗扰性和快速瞬变的要求,以及辐射发射。即使对于军事/航空航天设备,也必须保护它们免受EMI噪声和安全要求可能要求过滤器来保护机密数据的故障。合同要求暗示或指定过滤器。
从本质上讲,交流电源或电源EMI滤波器是一种低通滤波器,它可以在通过所需输入(直流或50/60/400赫兹电源频率)时阻止“噪声”流。一个理想的EMI滤波器将降低大于滤波器截止频率的所有频率信号的幅度。截止频率是信号的通频带和在接受线以下3db衰减处的拒绝频带之间的频率。衡量滤波器降低给定信号电平的能力是插入损失或衰减。电力线或市电EMI滤波器放置在设备的电源入口点,以防止噪音流出或进入设备。
过滤器配置
实质上,EMI滤波器由两种基本类型的元件组成——电容器和电感器。最简单的类型称为一阶滤波器,仅由单个响应式组件组成。电容器分流噪声电流远离负载,而电感阻塞或降低噪声。一般来说,这些单分量滤波器不是很有用,因为它们的衰减仅以6 dB/八度或20 dB/十年的速度增加。
为实现更大的衰减,如图所示的二阶或更高阶滤波器图3需要由两个或两个以上的活性组分组成。电感或电容元件的值由源阻抗、负载和要通过的最高频率(即截止频率)决定。这种两元滤波器有时被称为“L”滤波器。滤波器共振和振铃必须考虑,并涉及一个称为阻尼因子的设计特性,它描述了滤波器的增益和时间响应。
一个三阶滤波器,当然,由三个或更多的反应活性元素组成,如图所示图4。这些类型的滤波器有时被称为“π (π)”或“T”滤波器。较大的过滤器的缺点是物理尺寸增大。三阶滤波器是最常用的滤波器拓扑之一。
如何确定使用哪种配置
阻抗失配
中的高阶滤波器有两种不同的电路配置图3和图4。滤波器设计的一个方面是阻抗失配。那么,设计师应该使用哪一种呢?如果设计人员可以使用计算机模拟软件,那么就可以用它来确定最佳配置。然而,如果没有一个模拟程序,那么有一个简单的“经验法则”可以用来帮助设计师。应选择最接近源或负载端的第一个滤波器元件,以在EMI频率上提供最大的不匹配。通常,这意味着如果源阻抗或负载阻抗较低(<100欧姆),则第一个滤波器元件应该是感应元件。相反,如果源阻抗或负载阻抗高(>100欧姆),第一个滤波器元件应该是电容性的。这为设计师提供了一个极其高效的设计,且阶段或组件的数量最少。指图5作为一个快速,方便的指南。
共模电流与差模电流
滤波器不仅适用于传导排放,还有助于通过控制来自主电源电缆的传播来满足辐射排放水平,还有助于解决诱导RF(射频)信号和瞬态(电快速瞬态)等抗干扰问题。在所有电路中均存在共模(CM)和差模(DM)电流。这两者之间有显著的区别。给定一对传输线和返回路径,将存在一种或另一种模式,通常两种模式都存在。差模信号携带数据或感兴趣的信号(信息)。共模是差模传输的一个不受欢迎的副作用,对EMC来说是最麻烦的。
当使用模拟软件预测排放时,差分模式分析通常是使用的分析形式。仅根据差模(传输线)电流来预测辐射发射是不可能的。共模电流是电磁干扰的主要来源。如果只计算差模电流,人们可能严重低估预期的辐射发射,因为从差模电压源产生共模电流涉及许多因素和寄生参数。这些参数通常不容易预测,在边缘切换期间,在功率面和返回面形成的功率浪涌中存在。
差模电流是存在于信号和返回路径上的RF能量的组成部分,它们彼此相等且相反。如果精确地建立了180°相移,则RF差模电流将被取消。然而,共模效应可能是由于地面反弹和功率平面波动造成的元件从配电网络吸取电流。
使用差模信号,设备发出的电流被负载接收。必须有相等的返回电流。这两个方向相反的电流代表了标准的差动模式。差模滤波包括在线路之间放置电容器和/或与线路的高侧或低侧串联的电感。参考图7。
共模电流是存在于信号和返回路径上的射频能量的组成部分,通常彼此处于共同相位。由共模电流引起的测量射频场将是存在于信号和返回迹线中的电流之和。这个总和可能很可观。共模电流是由电路中的任何不平衡产生的。辐射辐射就是这种不平衡的结果。
共模滤波包括对地电容和/或与线路两侧串联的共模电感。共模电感不影响差模电流,除非存在不完全耦合(即漏感)。最好在传输线两侧均匀地分割电感,以保持电路中的平衡。这对电路的共模和共模抑制比都很重要。互感将使共模噪声阻抗最大化。参考图8.
因为这是两种不同的噪声电流传播模式,所以确定存在哪种类型的噪声电流是很重要的,这样才能实现适当的滤波,以获得最大的效率和成本。这对电路的共模和共模抑制比都很重要。可以看到,大多数典型的滤波器配置都包含共模滤波和差模滤波,如图所示图6。
布局提示
我们将讨论开放式印刷电路板(PCB)构造的滤波器与金属罐屏蔽滤波器的优点和缺点。有两种类型的噪声耦合(辐射和传导)。辐射噪声和传导噪声通过一种称为串扰的过程,通过一根导线或一条轨迹,具有相互转换的趋势。当附近有许多电线或线迹时,就会观察到串扰。因此,即使传导噪声只是一个位置的问题,也不能完全忽略辐射耦合到另一个位置的可能性。因此,如果将滤波电路集成在印刷电路板上,则必须进行适当的设计和布局技术,例如避免走线相互平行布线,在走线之间提供足够的分离以最小化电感耦合,或将相邻层(微带或带状线)彼此正交布线以防止走线之间的噪声耦合。看到图9.然而,通过使用金属屏蔽,串扰/辐射噪声耦合串扰得到了控制。
其他需要考虑的是高频寄生效应和共振效应。与理论模型相比,实际电感器和电容器的性能有所下降。其中一些是由于实际的电感和电容元件本身(例如引线电感,绕组电容,电阻效应等),而另一些是由电路板布局,包装或布线引起的。由于这些寄生效应和共振效应,更换不同的EMI滤波器会影响辐射发射特性。因此,当您更换通过测试的滤波器时,不仅必须重新测试传导发射,还必须重新测试辐射发射,因为两个滤波器之间的高频效应可能不一样,特别是因为大多数商用滤波器从未测试超过30 MHz。
过滤器应直接放置在产品导线的出口点。良好有效的分离是必不可少的。分离防止耦合噪声回到输入线绕过和无效的滤波器的影响。这将是一个交流进口安装EMI滤波器或“电源输入模块(滤波器)”的极好选择。
为了配合上述项目,避免不适当的引线布线。不要捆绑或物理交叉过滤输入和输出线。同样,由于引线物理上相互交叉,正如前面讨论的那样,由于导线之间的串扰,它使滤波器的有效性无效。
为滤波器提供低阻抗接地。EMI滤波器安装表面必须清洁且未涂漆(例如,导电表面)。良好的滤波器接地是影响滤波器共模滤波性能的重要因素。一个较差的滤波器结合限制滤波到机箱增加串联阻抗,从而改变共振效应和共模电容器的滤波能力。看到图12。
最后认为
商用滤波器可用于各种应用,具有不同的插入损耗。还有其他特征需要考虑,如接地泄漏,环境温度和过载特性。在去测试实验室之前,从商业过滤器公司购买不同的过滤器配置,以便在测试期间随身携带。如果原来的没有通过,那么就换一个备用的。拥有它们将缩短开发时间,并节省由于多次访问而产生的测试实验室成本。
参考文献
1.电子过滤器手册,唐纳德·r·j·怀特,德国城,医学博士,第三印刷1970年。
2.EMC桌面参考百科全书, Don White,电磁-emi控制公司,盖恩斯维尔,弗吉尼亚州,1997年。
3.EMC符合性测试, Mark I. Montrose和Edward M. Nakauchi, John Wiley & Sons, Inc. 2004。
4.设计工程师减少干扰指南第二卷,美国商务部国家技术信息服务处,弗吉尼亚州斯普林菲尔德,1964年8月。
5.磁学三部曲, Würth Electronik eiSos GmbH & Co KG, Edition 4, 2010 (ISBN 978-89929-157-5)。