EMI滤波器性能起着至关重要的作用在限制排放,也影响最终用途设备电气干扰的免疫力。
菲利普·f·还有Keebler和米欧菲普斯
EPRI,田纳西州诺克斯维尔市。美国
今天,电子设备在每一个住宅,商业和工业环境。此外,该设备取决于质量和日益复杂的模拟和数字电路电压输入。这些趋势强调的必要性进行线排放过滤器在未知的电子环境中表现良好。终端用户设备制造商不依赖于一个标准类型的过滤器。相反,这些设备包括现成-过滤器或定制设计的。不管使用的类型,过滤器必须可靠。滤波器的可靠性是一个重要的但多方面的概念。可靠的过滤器必须限制产生的排放进行设备,必须保持滤波器衰减和插入损耗在正常电环境中过电压肯定会发生,而且必须提供一个高质量的电压电子下游的过滤器。
简要概述的无线电频率(RF)照明进行排放标准:限制线和安全的利润率
在一块的最终用途设备行业,设备必须连接到公共电力系统或到另一个块设备在日常的环境中,进行排放必须控制的水平。在美国,联邦通信委员会(FCC)问题限制了管理水平的排放,可以注入AC线供电设备。最终用途设备,FCC并不限制排放的水平可以被注入到控制或其他低压电缆连接到设备上。因此,EMI滤波器不需要控制电路的最终用途设备销售和使用仅在美国。在欧盟(EU),进行排放的水平,可以注入到AC线输入每个设备类别较低。这些水平,发表和出版的国际电工委员会(IEC),包括更严格的限制,以防止无线电服务或其他电子设备电磁干扰问题。不足为奇的是,欧盟限制排放进行控制电路的最终用途设备销售和在欧洲市场使用,和EMI过滤器必须使用该设备的控制电路。
表1列出了进行了FCC所允许的排放水平和IEC射频(RF)照明设备,可用于住宅、商业和工业环境。表1,清楚地表明,FCC和IEC需求不同的排放水平,引用频率乐队,覆盖类型的设备和操作环境。一般来说,射频照明设备用于居住环境要求排放低水平的排放,和设备用于商业和工业环境允许更高级别的排放。
显然,设计和使用一个EMI滤波器的目的是保持水平的排放低于极限水平进行发布各自的监管机构。尽管如此,一些EMI滤波器的设计根本不提供足够的保证金进行排放水平的最终用途设备防止排放超过规定的极限。FCC的18个部分和CISPR 15日,例如,指定任何特定的公差(安全)的利润进行排放。从技术上讲,这个遗漏创建一种EMC“边缘政策”过滤器设计师和EMC测试工程师确定如何关闭进行排放水平超过规定的极限。
图1展示了一个例子进行排放测量1号线(热导体)的电子镇流器操作在满载208伏特。在这个例子中,安全系数是5.33 dBμV (60 - 54.67 dBμV)。虽然这个利润率会有所不同几个不同样本数据库,它不太可能成为如此之小,排放限制线。平均排放量将低于限制线。然而,实际上,EMI滤波器的元素年龄随着时间的推移,设备使用和接触电压激增等电气干扰。然后排放会随着年龄的增长逐渐增加,接触电压激增和跨越界线即使金属氧化物压敏电阻(MOV)是用来保护EMI滤波器。电子干扰下MOV的钳位电压将使它过去MOV和过滤器,X和Y电容器的性能退化和可以影响频段的任何地方排放的水平。
基本的和先进的EMI滤波器拓扑
像其他电子设备,电磁干扰(EMI)滤波器已经从非常简单到非常复杂的拓扑。简单或复杂的过滤器,拓扑依赖于对灵活性的需求所需的衰减性能和允许设备泄漏电流,这决定了所需数量的过滤阶段和元素。通常使用被动元件,电感和电容,一个电感和一个电容器不可能提供所需的水平的衰减在宽的频带。EMI滤波器是这样设计元素和阶段合作提供必要的衰减不同频率(或插入损耗)感兴趣的一个特定的频段。如果一个或多个元素的阻抗是受到电子干扰,然后整个过滤性能会降低偶尔,退化是在一些频率地区比其他的更为严重。(一个过滤器元素被定义为一个被动组件如电容器、电感器,或电阻器电能消散。过滤阶段被定义为一组过滤器的元素作为一个网络共同行动消散各级电能取决于电流的大小和频率噪声排放。)
表2展示了一些基本的和先进的滤波器拓扑。一般来说,单级和两级过滤器是基本过滤器,而三级过滤器是指定为先进的过滤器。最终用途设备用一个简单的排放特征和低水平的排放可以使用基本滤波器拓扑保持进行排放水平低于限制发布各自的机构。相反,最终用途设备和复杂的排放特征与高水平的排放和低泄漏电流限制必须使用先进的过滤器。
表2显示了EMI滤波器的复杂性不同过滤器来过滤。一个重要的观察是一个跨接线电容器(X电容器)并不总是第一个元素的过滤器受到电子干扰,尽管在大多数过滤器应用程序中,将第一个元素X电容器。越来越复杂的EMI滤波器跟踪最终用途电子设备本身的复杂性。一件设备,包含一个开关电源和几种类型的数字电路需要一个更复杂的EMI滤波器(即。比一件设备,先进的过滤器)包含一个线性电源和模拟电路,例如。设备包含多个开关模式电源和机架的处理器将需要“更高的”过滤器。也是常见的做法对于大型电子系统在不同阶段使用过滤器的设备。
系统兼容性,EMI滤波器扮演一个基本作用设计到设备限制的程度进行排放,注入到AC电源。由于其在AC线电路的位置,他们扮演着重要的角色在系统兼容性与电源AC线的质量。EMI滤波器设计必须可靠,必须执行。他们的性能必须不受权力的质量的影响。此外,因为他们的位置在AC线,他们不能创造一个贫穷的输出电能质量状况。EMI过滤器和设备的设计者应该注意电压出现在EMI滤波器的输出电压是交付给一块的工作电子设备。工作电子通常始于一个桥式整流。如果在输入电压异常EMI滤波器进一步退化的滤波器本身,然后送到工作电压电子将进一步退化。
滤波器的可靠性和性能作为电能质量的函数
EMI滤波器的可靠性和性能是至关重要的一件设备的操作。EMI滤波器是几乎总是放置在交流输入线电路的设备。EMI过滤器放置尽可能接近AC输入行效应进行最大限度的减少设备产生的噪声排放之前连接到交流。
过滤器也会受到不同程度的接触损伤从传入的电子干扰根据过滤器的位置在交流输入电路。的干扰类型可以破坏一个EMI滤波器不仅限于过电压等电压激增,电压瞬变,暂时过电压、电压膨胀。电压失真,电压下凹的,各种类型的欠压也能造成永久性伤害EMI过滤器。电压激增的影响,电压瞬变,暂时过电压、电压畸变作为本文的示例。
图2说明了EMI滤波器的典型位置的AC线输入电路一块单相最终用途设备。一行可以看到融合,超温设备(如果使用),和MOV通常坐落在EMI滤波器,而不是包含在过滤器。保险商实验室(UL)要求保险丝出现在AC线MOV之前提供过电流保护设备应MOV成为做空。如果MOV短裤,保险丝会打开。
MOV位置
金属氧化物压敏电阻(mov)继续发挥重要作用在保护enduse设备电压激增。因为MOV和EMI滤波器必须驻留在AC线输入电路和MOV通常放置在前面的EMI滤波器,其综合性能和保护相互作用也起到了重要作用。这不仅保护包括保护电气设备的干扰,但也从干扰EMI滤波器的保护。除了保险丝和MOV, EMI滤波器是第一个系统与被动电子元件产生一个overvoltage-a电压瞬态或暂时过电压(TOV)。一个不会引起的过电压MOV进行(夹紧扰动)将穿过MOV,和它的全部能量将进入EMI滤波器。并不是所有的能量与一个MOV过电压可以消散,和大部分的能量,并通过一个MOV必须通过EMI过滤器内的组件。
不幸的是,并不是所有设备设计者面前的地方mov EMI过滤器。一些设计师可能放在EMI滤波器的输出。在这样的应用程序中,EMI滤波器所没有MOV的过电压保护装置,EMI滤波器是更容易受到过电压。
电感器闪络
如电容器、电感器必须设计承受过多的电势的结果可能发生的瞬态或稳态电压条件。在设计和评级电感用于EMI滤波器,电感的大多数设计师认为,漏电感,额定电流的导线,用于风电感器的关键参数。电感线圈导线不同于其他标准导线,它是蘸一些类型的解决方案(通常一个特别设计的清漆)。清漆的目的是提供一种介电电隔离一个从另一个可以设立这样一个电压绕组电感。
电压,开发在电感器(或在其绕组)不是线性的绕组(或导线长度)。这种非线性导致更高的电压绕组之间正在开发更接近感应核心。这种非线性也从更高的磁通值结果,穿过线圈靠近核心相比过去的绕组电感的外面。如果这些高电压的时候并不考虑绕组清漆的类型选择,然后电感可能发生闪络的介质(或清漆)失败。清漆失败也可能加速了绕组温度过高的发生在核心附近。例如,当电感是伤口,这种效应会变得更主要由于机械压力放在清漆涂层。电感发生闪络时,介质失败和电感的线圈成为做空,导致电感的彻底失败。此外,在一些罕见的情况下,电感器打开和最终用途设备失败。完全电感器失败,EMI滤波器不再为电流提供了连续的路径,和最终用途设备失败。
X和Y电容器故障
电容器发挥重要作用在EMI滤波器的设计和操作。电容器的阻抗频率和电容成反比。对于一个固定的电容,电容的阻抗随着频率的增加降低。这一减少阻抗持续进行直到自已谐振频率的电容。这一点,以上频率阻抗增加,电容器方法诱导性。
EMI滤波器电容称为类X电容器用于“跨接线”应用程序,他们的失败将不会导致电击。使用这些安全上限之间的“活”导体携带传入的交流电流。在这个位置,电容器故障不应造成任何电击危险。相反,“瘀”通常会导致一个电容器故障过电流保护装置打开。因此,当一个X帽以失败告终,因为过电压如浪涌或暂时过电压,它可能会失败做空。X帽的失败将导致一个过流条件,将导致保险丝或断路器打开。
EMI滤波器电容称为类Y电容器用于“线路接地”(绕过行)应用程序,他们的失败可能会导致电击如果失去了一个适当的接地。“线路接地电容器的故障不会导致线融合开放。换句话说,失败的一行旁路电容器可以创建一个120伏特的“热”底盘,可能导致致命的冲击,如果Y帽设计未能打开。
120伏额定最终用途设备,X和Y电容器将稳态额定电压250伏交流电。这对于设备评级是可以接受的在美国,加拿大,欧洲,澳大利亚和其他国家,使用230或240伏。然而,X和Y 250伏额定电容不应该用于最终用途设备额定在277伏如电子照明镇流器和调速驱动器。X和Y电容器额定在440伏交流应该用于最终用途设备额定为277伏交流电操作。
X和Y-capacitors被称为安全电容器最终用途和EMI滤波器设计。这些电容器分为几个不同的类。X-caps,有三个类:X1, X2, X3。Y-caps,有四类:Y1, Y2, Y3、Y4。大多数最终用途设备使用X1和X2, Y2电容器。X1电容脉冲测试4000伏特,X2 2500伏,8000伏Y1, Y2 - 5000伏特。
X2, Y2电容器是最受欢迎的和一般电器,可以插入普通的120伏插座。(X1, Y1电容器等重型工业终端用户设备使用一个工业计算机或工业电子镇流器,是连接到一个三相线操作在208或277伏交流电。
(X1, Y1电容器成本更多的EMI滤波器设计和规模更大,因为它们增加使用介电材料能够承受更高的脉冲电压。Y电容器必须在承受更高的线电压,因为更健壮的一条腿被连接到地面。他们是为了安全地通过打开失败。Y电容器不用于X电容器应用程序因为Y电容器通常更大、成本更高。一些电容双评级如X1 / Y2,这意味着他们遇到X1和Y2安全要求和标准。
图3说明了一个失败的例子Y通孔类型的陶瓷电容器。这个电容是在两个过滤器之间设计阶段提供改善过滤/传统的板固定Y电容器。底部的烧伤痕迹的照片显示失败。
失败是线之间的故障发生(中心的电容器,白线)的外壳接地电容器的电压浪涌。两个通孔类型Y电容器是如图3所示。提高了滤波器通过改变焊接技术将电线通孔的帖子电容器。
图4说明了一个失败的例子X电容器内部电子荧光灯镇流器。显然,X电容器的线路侧commonmode电感器失败。这个电容器从线连接到中性的。失败是由于一个过电压(即。电压浪涌)。这个镇流器没有包含一个MOV过载保护。
从激增X电容器:谐振滤波器的影响
X-caps是直接放置在电容电压从一个到另一个线或中性的。X-caps接触线电压在任何时候其过滤过程中,预计生存没有损害他们的介电材料。X-caps必须能够提供在EMI过滤器过滤时接触线电压。换句话说,他们必须能够承受电压环境。
然而,线电压将不是唯一电压X帽经历。X帽必须承受任何在三相电压出现在line-line-to-line电压单相应用程序的应用程序和相电压。
X电容器也可能暴露在过电压引起的共振效应。这种效应可能会刺激电压激增,包括波电压环和组合。这些浪涌电压包含特征频率会导致过滤元素产生共鸣。过滤元素之间的共振效应会导致电压增量开发整个元素在某些情况下,甚至有可能为这些电压达到值高于X的耐电压限制电容器。
图5给出一个案例,一个过滤器(C-L-CL - C型使用两个共模电感Ls)开发了一种共振条件对滤波器的输出。当浪涌电压是1000伏特的组合应用于过滤输入,结果是在滤波器输出电压比输入电压的1.6倍。这种电压的放大在多级过滤器并不罕见,可能造成的损坏电子元件下游过滤器。设备设计者可以选择为多级过滤器选择电感和电容的谐振点不重叠,或者他们可能把一个适合的MOV在滤波器的输出箝位电压放大。
图6展示了一个简单的EMI滤波器可以从组合受损的浪涌电压。照片显示,线路侧和负荷端X-capacitors受损。的线路侧X-capacitor受到一个1000伏特的激增。冲击电压放大了过滤器,导致一个更大的电压(1600伏特,参见图5)负荷端X-capacitor。
许可
在EMI滤波器设计中,电气间隙的主题是极其重要的。保持适当的焊垫之间的间隙,元素,元素的身体,和接地表面在EMI滤波器将帮助避免崩溃。介质击穿之间可能发生任何两个表面或边缘。可以设计元素过滤组件间距和布置,所以不会发生在最大线击穿电压(例如,305伏交流277伏系统)或规定的电压安全测试高压测试等测试。然而,一个可能突然发现介质击穿时发生在浪涌测试浪涌测试电压小于MOV的钳位电压。在这些电压崩溃也应该避免防止永久性损伤期间EMI滤波器电压浪涌条件不够严重激活一个MOV。介质击穿可以避免使用专门的盆栽等物质具有高介电常数材料。图7展示了一个例子的介质击穿发生不当的结果之间的间隙在董事会和EMI滤波器的屏蔽罩。
设备磁化率的函数滤波器设计
电感饱和
常见的-和差模电感器是用于EMI过滤器提供电感阻抗在特定频段。线电流必须通过过滤器也必须通过电感器。的负载电流必须通过一个电感器的电感影响能力提供电感阻抗。如果负载电流过高,那么一个电感器可能开始饱和。饱和电感严重影响过滤操作的性能低于100 kHz的频率。
EMI滤波器的一个电感器可能在饱和操作附近或在稳态操作的最终用途的设备。在这种情况下,滤波器的衰减性能受整个设备使用,直到负载电流减少允许不饱和电感器操作。在其他情况下,一个电感器可能暂时在饱和时,负载电流波动,达到饱和。电感饱和这里可以发生在一个电压凹陷的恢复或短暂的中断条件线电压开始复苏时,造成一个临时增加的负载电流,迫使电感饱和。
图8显示了一个电源滤波器的衰减性能是影响只有一个放大器的负载电流流经电感绕组。这个电感遭受严重的衰减降低频率大于1 kHz。
图9展示了两个电感从电力线过滤器可用于设备屏蔽房间或磁共振成像(MRI)屏蔽房间。左边的电感饱和烃在低负载电流(1安培)过滤器。这个电感器是用粉芯。右边的电感不饱和水平的大约60安培。是由复合钢和减少铁心恰恰相反的如人所愿。
承受TOVS和电容器电压等级
暂时过电压(TOVs)可以高达2.0 p.u。(单位)电压。2.0在277伏交流系统中,动力装置相当于554伏特RMS或783.4伏特的峰值。X电容器额定在440伏交流277伏系统-p.u 2.0。将超过这个评级。随着时间的推移,随后的TOVs这些电压将降低X电容器的介质材料。因此,设备设计师可能想要选择一个MOV的钳位电压将有助于减少X的曝光TOVs电容器,和/或选择一个更高的额定电容。
电容器切换事件
中定义的电容器switching-based环波,ANSI / IEEE c62.41.2 - 2002, IEEE推荐的做法激增的表征低电压(1000 V和更少的)交流电源电路,转换的发生主要是由于电容器银行。海浪可以存款高能电子设备包括电子lamp-ballast系统因为长时间。传统上,峰值冲击电压值定义在ANSI / IEEE C62.41.2 1.8倍(1.8 p.u。)额定Vpeak政策环境,1.0倍额定Vpeak medium-exposure环境,不推荐给行业的环境测试。因此,最高总峰值冲击电压可以用在这个测试(如适用),包括电源电压,Vpeak 2.8倍。电容器投切试验时应考虑压舱物暴露在大型switching-capacitor银行附近的一个环境。选择在该测试中,峰值冲击电压不大于2.0倍额定Vpeak,这是这个测试的一般规范规定的ANSI / IEEE c62.41.2 - 2002。
电容器事件可能发生的频率范围从几百赫兹到几赫兹可能激发EMI滤波器设计的X大电容值(例如,大于0.047μF)。产生共振可以创建具有破坏性和放大电压在整个过滤元素正如前面所讨论的那样。二次效应,从而影响最终用途设备操作,由此导致的直流总线电压如图10所示。这56-volt上升显示在直流总线容易导致设备过压条件。
扭曲和平顶滤波器输出电压
每个元素的EMI滤波器在低频电压将下降(例如,60赫兹到几个谐波),在高频排放过滤必须发生。在滤波器的设计中,在低频率电压降应很小。然而,系统兼容性研究ar EPRI表明,电容和电感元素在EMI过滤器可以造成严重的扭曲和“平顶”60赫兹正弦波电压出现在滤波器的输出。
表4展示了四个例子的线性和非线性负载的影响在三个不同的EMI滤波器加载不超过其额定电流。过滤器说明可以获得较低的一种正弦波输出电压失真使用滤波器的输出电阻负载。过滤器B说明可能发生严重的畸变和航空母舰含有一个非线性滤波器时(整流/电容器)负载类似发现在电子终端设备。过滤器C演示了相同类型的电压质量问题在滤波器的输出非线性负载时,输出电压畸变的程度是相关程度过滤加载。过滤器B和C在这个例子中是过滤器,使用电感值过高和电容值太低了。选择合适的电感和电容之间的混合将有助于避免这种类型的失真和输出电压平顶。一些滤波器的参数可以增加内部原因,直到过滤器泄漏电流规格。如果降低电感值和电容值不会提供必要的衰减量,然后附加过滤阶段应考虑在滤波器设计。在设计或选择一个最终用途设备EMI滤波器,滤波器的设计师应该检查质量在所有equipment-loading条件下输出电压。这一步是至关重要的维护必须先于敲定滤波器设计。 Distorted and flat-topped voltages on the output of a filter effectively lower the RMS value of the voltage; thus making the equipment more susceptible to disturbance such as voltage sags and momentary interruptions.
结论
电压质量的交付给最终使用设备包括电气和电磁干扰,发生在低频率(例如,60赫兹)和在高频率(例如,大于1 kHz)。EMI滤波器的性能起着至关重要的作用在限制排放,也影响最终用途设备干扰的免疫力。EMI滤波器设计师不研究滤波器的可靠性元素或电压质量的影响滤波器的输出很可能发现自己分析设备和/或过滤失败和重新构建他们的设计。
参考书目
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关于作者
菲利普·f·还有Keebler进行了系统的兼容性研究个人电脑、照明、医疗设备、数据中心和网络设备。照明任务与描述电子荧光和磁性HID镇流器、电子荧光和HID镇流器干扰,电子荧光和HID镇流器故障、电子荧光和HID灯故障。他起草测试协议和性能标准SCRP PQ和EMC相关任务。还有Keebler先生还管理着电磁兼容性(EMC)集团在EPRI EMC网站进行调查,最终用途设备进行电磁兼容测试,EMC进行审计,对电磁干扰(EMI)问题的解决方案确定。他已经完成了他的服务编辑器开发一种新的电源EMC标准过滤器,IEEE 1560。
米欧菲普斯NARTE EMC认证工程师,对设备性能进行测试和评估,按照ANSI / IEEE标准IEC,美国军事、UL、以及对EPRI EPRI系统兼容性测试协议。他在美国空军服役手册电子战和组件专家,解决硬件和软件问题。他在过载保护进行研究,电源过滤器,屏蔽效能和电磁干扰。菲普斯先生是测试计划的作者和合作者,协议和研究论文发表在国际电能质量和EMC会议。他进行了大量的电能质量和EMC培训课程和实地调查。最近,他已经完成了他的志愿工作,主席在发展中重新EMC标准电源过滤器,IEEE 1560。