摘要：在EMC领域中，电源EMI滤波器设计是非常重要的，它是抑制传导干扰和辐射干扰非常有效的一种方法，本文介绍了EMI电源滤波器的原理、设计的原则以及滤波器的安装应用等，着重介绍了EMI滤波器的设计要点，以供参考。
关键词：滤波器；EMI；电源；设计
Abstract：In the field of EMC，EMI filter design of power supply is very important，It is a very effective way to suppress conduction interference and radiation interference，This paper introduces the principle of EMI power filter，Design principles and filter installation and application，etc.，Emphatically introduces the key points of EMI filter design，For reference.
Key words：Filter；EMI；The power supply；Design
1 EMI滤波器的原理和研究方法
1.1干扰信号分析
电磁干扰按其能量传播的途径分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰主要是指通过电源线传导至电子设备的干扰，辐射干扰主要指由电子、电气设备内部高频线路及感抗元件的电磁场交变产生的辐射电磁波所造成的干扰。因此，系统电源干扰是个双向干扰，它既是外部干扰的对象，又是潜在的干扰源。在复杂的电磁环境中，任何电子、电气设备除了本身能够承受一定的外来电磁干扰而保持正常工作外，还应该不会对其他电子、电气设备产生不可承受的电磁干扰，该产品应具有电磁兼容性。
电磁干扰按形成的特点可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰又称为对地感应干扰或不对称干扰，指的是两条电源线相对于大地存在的干扰和噪声，差模干扰又称为常模、串模、线间感应或对称干扰等，指的是两条电源线之间的干扰。
我们在设计和选用EMI滤波器时，一定要根据电路的实际需要而定。首先测出传导干扰电平与所规定的EMI标准极限比较，一般0.01～0.1MHz是差模干扰起主导作用；0.1～1MHz是差模、共模干扰共存；1～30MHz主要是共模干扰起作用。在对电磁干扰噪声采取抑制措施时，主要应考虑抑制共模噪声，因为共模噪声在全频域特别在高频域占主要成分，而低频域中差模噪声占比例较大，所以应根据EMI噪声的这个特点来选择适当的EMI滤波器。
1.2 EMI电源滤波器的原理
考虑干扰信号的特点，设计时应注意以下几点：
（1）双向滤波功能。电网对电源、电源对电网都能够进行有效滤波的功能；
（2）能有效地抑制差模干扰和共模干扰。工程设计中重点考虑共模干扰抑制；
（3）遵循“阻抗失配”原则；
EMI滤波器可分为交流电源滤波器、信号传输线滤波器和去耦滤波器。它是一种由电容器和电感器组成的低通滤波器，主要作用是滤除外来的高频脉冲对电源的干扰，同时也起到减少电源本身对外界的电磁干扰。实际上它是利用电感和电容的特性，使直流和频率为50Hz左右的交流电可以顺利通过滤波器，但频率较高的其它信号和干扰信号被滤波器滤除。任何传导型电磁干扰都可用共模干扰和差模干扰来表示，由于共模和差模两种传导噪声的来源不同，传导途径也不同，因而通常都将它们分开来分析。
常用的抑制传导型电磁干扰噪声的典型电磁干扰滤波器原理图如图1所示。
图1 EMI电源滤波器的基本原理
电路中的元器件参数因滤波器的设计指标不同而有所差异。在图1中，该电路包括共模扼流圈L、滤波电容CX和Cy以及泄放电阻R。共模扼流圈L是一个双重缠绕的环形电感，其磁芯一般采用低损耗、高导磁率、频率特性好的铁氧体材料。共模扼流圈对差模干扰不起作用。共模干扰时，因两个线圈的磁通方向相同，经过藕合后，总电感量迅速增大，因此对共模干扰呈现出较大的阻抗，使共模干扰信号不易通过。L的电感量和滤波器的额定电流有关。在允许的情况下，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。Cy电容分别跨接在两根电源线和接地线之间，将高频共模噪声分流或分路到地，从而滤除共模干扰，可选用陶瓷电容，根据滤波器漏电流的大小确定其容量，一般容量范围在0.0022～0.1μF。电容CX主要用来滤除差模干扰，它们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，选用薄膜电容器，CX的容量越大，插入损耗越大，其值大致在0.01～1.0μF。在供电切断之后，这些电容将通过泄放电阻R进行放电，避免因电荷积累而影响滤波特性，保证电路的安全性。
这种由绕线或穿心的磁芯线圈构成的EMI滤波器被称为吸收式EMI滤波器，它主要利用是磁芯材料的阻抗频率特性来达到抑制EMI的目的。
2 EMI滤波器的设计
2.1设计原则
评价电磁干扰滤波器优劣最主要的指标就是插入损耗的参数。作为描述EMI滤波器效果最重要的技术性能参数之一的插入损耗IL（insertion loss），是用来表述EMI滤波器的衰减的。EMI滤波器的插入损耗定义为：
从上式可以看出，滤波器工作效果好的前提便是插入损耗变大。要使EMI滤波器有好的抑制干扰效果，需要插入损耗尽可能的提高，且保证EMI滤波器要满足安全、环境、机械和可靠性的全部要求。
为了进一步研究滤波器的插入损耗，表征滤波器的性能，在此引入二端口网络理论。电路中的滤波器可以看成是二端口网络。可以使用二端口的Z参数和一般参数来描述，不论是Z参数或是一般参数都只同二端口网络内部的元件及其连接方式有关系，同外部结构没有关系，图2给出了该二端口网络。
图2 滤波器二端口网络
二端口网络的模型为：
分析可知，加入滤波器后，通过调节A、B、C、D参数可以在一定范围内使阻抗失配。
插入损耗要尽可能增大，即尽可能增大信号的反射。如果设电源的输出阻抗和与之端接的滤波器输入阻抗分别为Z0和Z1，根据信号传输理论，当Z0≠Z1时，在滤波器的输入端口会发生反射，反射系数：
显然，Z0与Z1相差越大，P便越大，端口产生的反射越大，EMI信号就越难通过。所以，滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态，使EMI信号产生反射。同理，滤波器输出端口应与负载处于失配状态，使EMI信号产生反射。即滤波器的设计应遵循下列原则：源内阻是高阻的，则滤波器输入阻抗就应该是低阻的，反之亦然。通过前面的二端口网络的分析可知，只要调节好滤波器的参数和结构，就可以最大限度地做到阻抗失配。
2.2滤波器的网络结构研究
基本电源EMI滤波器的网络结构如图3所示。
图3 电源EMI滤波器基本网络结构
图3是单相电源EMI滤波器的基本网络结构，它是由集中参数元件构成的无源网络。网络中有两只电感器L1和L2；三只电容CY1、CY2、CX。如果把滤波器的（LINE）端接进电源的进线，滤波器的（LOAD）端接被干扰设备，这样，L1、CY1，L2和CY2就分别构成了L-E和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源系统内存在的共模干扰信号，其中L1和L2是绕在同一磁环上的两只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈，它们所绕线圈数相同，线圈绕向相反，在滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈的电感量保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两只线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1和L2的电感量不相等。于是L1和L2之差（L1-L2），称为差模电感，它和CX组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源上存在的差模干扰信号，从而实现对电源系统干扰信号的抑制，保护电源系统内的设备不受其影响。
图3的电路是无源网络，它具有互易性。当电源EMI滤波器安装在电源内后，它既能有效地抑制电源系统内存在的干扰信号（即电子设备外部的干扰信号）传入设备，又能大大衰减电子设备工作时本身产生的干扰信号传向电源。
在实际的实验中，为了使电源EMI滤波器有很好的高频性能，可以使用高频增强型EMI滤波器的网络结构，见图4所示。
图4 高频增强型EMI滤波器的网络结构
2.3电源EMI滤波器的参数确定
电源EMI滤波器参数的确定可以参考公式（1）和（2），使设计出的滤波器插入损耗能够满足要求。
CX电容的取值在允许的情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，一般情况下，要求取值在0.01～1.0μF间即可（对每个电容）。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V/s时不损坏。
Cy电容的取值在允许的情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，但是不能太大，太大则漏电流较大，一般情况下，要求取值在2200～7200pF之间（对每个电容），漏电流要控制在小于1mA。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V/s时不损坏。
电容CX和CY，一般都是通过较小的电容并联来满足容量的要求，这样滤波器的高频特性才好。
电感的取值、材料的选取原则从以下几个方面考虑：第一，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率；第二，磁导率高，但是在实际中很难满足这一要求，所以，磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体，更好的材料如微晶等。
电感量的估算要考虑阻抗和频率。共模扼流圈一般取值1.5～5mH，差模扼流圈一般取值为10～50μH。
2.4电源滤波器插损指标确定
根据EMI电源滤波器的实际使用情况，注重滤波器插损指标的优化设置，才能更好的提高其利用效率，最终延长EMI电源滤波器的使用寿命。一般情况下，插损指标的优化设置，需要高度重视有用信号的有效保护，才能避免设备的正常使用受到影响。在军用、民用的相关设备和分系统中，EMI电源滤波器的使用都有严格的EMC标准，使得电源线传到干扰电平有着非常明确的规定，因此，在对EMI传导干扰电平进行合理的预测后，将其与标准传导干扰电平相对比，可以将它们之间的差值确定为最小插损，即EMI电源滤波器插损指标的确定值。根据我国相关规定，EMI电源滤波器插损指标的确定必须满足实际使用要求，才能确保滤波器与实际使用情况相符。
2.5 滤波器元件的合理配置
滤波器元件方面的合理配置主要包括两个部分：一部分是电容的合理选用；另一部分是共模扼流圈的优化设计，需要根据EMI电源滤波器的实际运行情况来确定，才能获得较好的防干扰效果。在进行电容的合理选用时，需要注意差模电容器、共模电容器、漏电流控制三个方面，其中，差模电容器的选用需要确保其处于失效状态时，不会出现电击情况，从而避意外安全事故发生。因此，在不同的场合下，差模电容器的安全等级具有一定差异性，必须通过1500～1700VDC 1min的耐压测试，才能确保滤波器的整体功能。与此同时，共模扼流圈在EMI电源滤波器的正常运行中发挥着重要抑制作用，由于其存在一定差模漏电感，需要选用高磁导率的软铁磁性材料，才能获得较好的效果，对于保障相关设备的正常运行有着重要影响。
3 EMI电源滤波器的安装应用
EMI电源滤波器在应用时一定得注意滤波器的安装问题，因为如果滤波器安装得不合适反而会得到一个更差的效果。
（1）为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），除滤波器一定要安装在设备的机架或机壳上外，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，并尽量缩短滤波器的接地线。若接地点不在一处，那么滤波器的泄漏电流和噪声电流在流经两接地点的途径时，会将噪声引入设备内的其他部分。其次，滤波器的接地线会引入感抗，它能导致滤波器高频衰减特性的变坏。所以，金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。如外壳喷过漆，则必须刮去漆皮；若金属外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳滤波器时，它与设备机壳的接地线应可能的短。
（2）滤波器要安装在设备电源线输入端，连线要尽量短；设备内部电源要安装在滤波器的输出端。若滤波器在设备内的输入线长了，在高频端输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分。若设备内部电源安装在滤波器的输入端，由于连线过长，也会导致同样的结果。
（3）确保滤波器输入线和输出线分离。若滤波器输入、输入线捆扎在一起或相互安装过近，那么由于它们之间的耦合，可能使滤波器的高频衰减降低。若输入、输出线必须接近，那么都必须采用双绞线或屏蔽线。
4结语
在系统电源的正常运行中，EMI电源滤波器的合理运用，必须尽可能的缩短其与设备之间的连线距离，确保其工作过程的安全性和可靠性。高度重视EMI电源滤波器的优化设计，严格按照上述内容进行操作，是减少不良信号给设备运行带来影响的重要途径，对于提高滤波器的安全性能有着重要影响。
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论文作者:李海峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/27
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