EMI滤波器的防护设计

1、EMIEMI滤波器的防护设计滤波器的防护设计 滤波器电源滤波器电源滤波器信号滤波器信号滤波器电源线上既有mV级骚扰电压,也有数百,上千伏瞬态骚扰(其中,浪涌,电快速瞬变脉冲群占88.5%,电压跌落占11%,电压中断占0.5%),特别是对敏感设备,会造成直接影响.是45%计算机丢失数据和发生故障的主要原因.电子设备含有CPU,开关电源,可控硅,变频调速,马达,继电器等时,也会对外界产生骚扰 电源线滤波器电源线滤波器电源滤波器是由电感、电容和电阻构成，允许电源滤波器是由电感、电容和电阻构成，允许直流或直流或50Hz的电流通过，对频率较高的干的电流通过，对频率较高的干扰信号有较大衰减，即低通高阻。扰

2、信号有较大衰减，即低通高阻。一般选用实用滤波器主要从三个方面考虑：电一般选用实用滤波器主要从三个方面考虑：电流流/电压、插入损耗、结构尺寸。电压、插入损耗、结构尺寸。电源滤波器的原理电源滤波器电源滤波器信号滤波器信号滤波器电源电源PCB 切断干扰沿电源线或信号线传播的路径，切断干扰沿电源线或信号线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的辐射和干扰防护。与屏蔽共同构成完善的辐射和干扰防护。滤波器的作用共模电感共模电感差模电容差模电容共模电容共模电容电源滤波器的基本电路 截止频率 插入损耗 额定工作电压、电流 环境特性体积、重量漏电流电源滤波器的主要指标插入损耗插入损耗3dB截止频率截止频率频率频率滤波器

3、的截止频率 截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能性信号的带截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能性信号的带宽，保证设备的正常工作，同时最大限度的衰减干扰信号宽，保证设备的正常工作，同时最大限度的衰减干扰信号EMI电源滤波器插入损耗的计算方法电源滤波器插入损耗的计算方法 插入损耗的定义插入损耗的定义 经典的滤波器理论是以插入衰减插入衰减理论为基础的滤波器设计方法，如转移函数表示一个端口的电压（电流）和另一端口的电压（或电流）之间的关系，以电压转移函数为例,当输出端开路时，电压转移函数定义为: 电压增益=V0(s)/VIN(s) 电压衰减=VIN(s)/V0(s) 但EMI电源滤波器对干

4、扰噪声的抑制能力用插入损耗插入损耗I.L（Insertion Loss）来衡量。插入损耗定义为，没有滤波器接入没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，噪声源传和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率输到负载的功率P2之比，用之比，用dB（分贝）表示。（分贝）表示。 如我们采用A参数表示滤波器网络，A参数矩阵为： 则所以EMI滤波器插入损耗和插入衰减的定义不同插入损耗和插入衰减的定义不同不能直接照搬,为此EMI滤波器的插入损耗需要重新推导。21/log10PPLI212221log20/log10VVVVLILSSLSLRRRRRRaaRaLI22

5、211211log2022211211aaaaA低频差模插入损耗的推导低频差模插入损耗的推导单环差模插入损耗单环差模插入损耗双环差模插入损耗双环差模插入损耗LseexxxexxexxexxexxxxxlseexeeeexxexexexseexxexexexLDMRRLLCCCLCCLCCLCCLCCCCCRRLLCLLLLCCLCLCLCRLLCCLCLCLCRLIlog20)()()1 ()1 (log10.2213215232323131313121332121232122121422221211221324232132122LRsRxCxCeLxCxCLRsReLLCsRxCeLLRDM

6、LIlog202)2121(2)1 ()221 (log10.插入损耗的原理图插入损耗的原理图 电源滤波器一般常用的典型电路电源滤波器一般常用的典型电路 从以上对开关电源干扰的分析和实测的结果，都说明开关电源的干扰频率和频域要比工频电源的频率50Hz400Hz高得多和宽得多。因此，作为抑制干扰的电源滤波器应该是一个性能优良应该是一个性能优良的低通滤波器，它只让工频通过，要抑制除工频外的一切无用的低通滤波器，它只让工频通过，要抑制除工频外的一切无用或有害干扰频率，由于电路近似对称所以又具有双向抑制功能。或有害干扰频率，由于电路近似对称所以又具有双向抑制功能。根据抑制干扰的能力又分为一般性能和高性

7、能两种电源滤波器。IL=20lg(v1/v2)滤波器滤波器V1V2同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆 滤波器的插入损耗滤波器插入损耗曲测试线增加差模扼流圈后的效果增加差模扼流圈后的效果插入损耗的测量方法插入损耗的测量方法MIL-STD-220A或CISPR17出版物4.1提出的滤波器标准测量方法：1.共模插入损耗的典型测量方法共模插入损耗的典型测量方法 根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50上的电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后，负载50上的电压V2，通过频谱分析仪将20log(V1/V2)随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来。注意测量时，滤波器

8、的输入端和输出端是并联的。目的是取得共模插入损耗的平均值，同时也减少了测量次数。 0.1/100及及100 / 0.1阻抗测量方法阻抗测量方法上述测量方法又称为50系统测量方法，即源和负载阻抗均在50匹配的条件下测量，是目前许多滤波器制造商传统沿用的测量方法。在实际情况，由于源阻抗和负载阻抗（设备的阻抗）不可能是恒定的50，所以实际获得的滤波器插入损耗特性与用50系统测量获得的滤波器插入损耗特性不会相同。为此，CISPR出版物4.2.2.2部分提出一种近似的方法，即0.1/100及100/0.1系统测量方法。见图5.59。 Ly = 0.3 - 38 mH， Cy 0.1F 漏电流 3.5 m

9、A Lx = 几十-几百H Cx 0.1 F IL(dB)= 20log(1+ZsZ1/Zt(Zs+Zl)IL（dB)= 20log(1+100X600/0.08(100+600) =20log1072 =61dBIL（dB)=20log(E1/E2)实际滤波器特性实际滤波器特性理想滤波器特性理想滤波器特性dB f Hz电源线滤波器的特性CTL反 源阻抗 电路形式 负载阻抗 高 C型、型或多级型 高 高 型或多级型 低 低 反型或多级反型 高 低 L型、T型多级T型 低低通滤波器类型LCf1/（2LC ）f0ZL实际电感实际电感理想电感理想电感单电感型滤波器单电容型滤波器ZC实际电容理想电容f

10、引线长1.6mm的陶瓷电容器 电容量 谐振频率(MHZ) 1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 601/2 LCCL插入损耗插入损耗3dBL、C数值决定数值决定频率频率L、C个数决定个数决定截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！影响滤波器特性的参数影响滤波器体积的主要因素：影响滤波器体积的主要因素：电感量、结构是否紧凑电感量、结构是否紧凑体积小的滤波器：体积小的滤波器：截止频率高，低频特性差截止频率高，低频特性差高频特性差高频特性差截止频率越低，滤

11、波器的体积越大，成本越高！截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！选择适当的截止频率不能单纯追求滤波器体积小插入损耗插入损耗频率频率这个干扰始终不能滤掉这个干扰始终不能滤掉并非级数越多性能越好器件距离对高频性能的影响共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵消，因此磁心共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵消，因此磁心不会饱和。不会饱和。防止磁心饱和的方法电源线滤波器的特性损耗频率频率理想滤波器特性理想滤波器特性实际滤波器特性实际滤波器特性一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。30MHz越来越受到关注越来越受到关注电子设备电子设备共模干扰电流共模干扰电流差模干扰电流差模干扰电流干扰电

12、流的种类国际耐压规范国际耐压规范共模耐压共模耐压德国德国VDE0565.2 高压测试高压测试 (AC) P，NE 1.5kV/50Hz 1 1.5kV/50Hz 1分钟分钟瑞士瑞士SEV1055 SEV1055 高压测试（高压测试（ACAC）P P，N NE 2 2 Un n+1.5kV/50Hz 1+1.5kV/50Hz 1分钟分钟美国美国UL1283 UL1283 高压测试（高压测试（ACAC）P P，N NE 1kV/60Hz 1 1kV/60Hz 1分钟分钟其中瑞士其中瑞士SEV105SEV105规范要求最高为规范要求最高为 2KV/50Hz 12KV/50Hz 1分钟分钟差模耐压差模

13、耐压德国德国VDE0565.1 VDE0565.1 高压测试（高压测试（DCDC） P PN 4.3 4.3U Un nkV 1kV 1分钟分钟瑞士瑞士 SEV1055 SEV1055 高压测试（高压测试（DCDC） P PN 4.3 4.3U Un nkV 1kV 1分钟分钟美国美国UL1283 UL1283 高压测试（高压测试（DCDC） P PN 1.414kV 1 1.414kV 1分钟分钟 其中美国其中美国UL1283UL1283规范要求最高为规范要求最高为 1.41KV/50Hz 11.41KV/50Hz 1分钟分钟PN耐压测试采用直流电压的原因是因为Cx容量较大，如果采用交流测试

14、则要求耐压测试仪的电流容量很大，造成成本高，体积大。采用直流电压测试就不存在这种问题。泄漏电流与安全泄漏电流与安全 任何典型滤波器电路的共模电容Cy都有一端接金属机壳。从分压角度看，滤波器金属外壳都带有1/2额定工作电压。如工作电压为220V（AC），那么外壳带有110V（AC）电压，因此从安全角度出发，滤波器通过Cy到地端的泄漏电流（Leakage Current）要尽可能地小，否则将危及人身安全。 国家国家安规名称安规名称对于一级绝缘的设备，泄漏电流的极限值对于一级绝缘的设备，泄漏电流的极限值美国美国UL478UL12835mA,120V,60Hz0.53.5mA,120V,60Hz加拿大

15、加拿大C22.2No.15mA,120V，60Hz瑞士瑞士SEV1054-1IEC335-10.75mA,250V,50Hz德国德国VDE08043.5mA,250V,50Hz 这里要说明的是：1)泄漏电流直接和电网电压、电网频率成正比。2)在检验滤波器泄漏电流时，一定要采用符合国际规范的测量电路。 3)三相滤波器的泄漏电流应是各相泄漏电流之和。 国际上泄漏电流的安全规范国际上泄漏电流的安全规范射频干扰滤波器射频干扰滤波器单路馈通滤波器单路馈通滤波器线路板安装形式线路板安装形式面板安装形式（馈通式安装）面板安装形式（馈通式安装）底板安装形式底板安装形式双路滤波器双路滤波器多路滤波器多路滤波器大

16、电流馈通滤波器大电流馈通滤波器小型馈通滤波器小型馈通滤波器高性能交流滤波器高性能交流滤波器高性能直流滤波器高性能直流滤波器圆形多路滤波器圆形多路滤波器D型滤波连接器型滤波连接器单相交流滤波器单相交流滤波器三相交流滤波器三相交流滤波器交流馈通滤波器交流馈通滤波器电磁干扰滤波器的型谱传导发射传导发射的对策EMI滤波器的正确选择和使用滤波器的正确选择和使用选择滤波器时,应首先选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。EMI源滤波器源滤波器是以工频为导通对象的低通滤波器，是在不是在不匹配的条件下工作的匹配的条件下工作的，因为在实际应用中无法实现匹配。如滤波器输入端阻抗Rs电网阻抗是随着用电量的大小变化的

17、；而滤波器输出端的阻抗RL是随电源负载的大小变化的，要想获得理想的抑制效果，应遵循以下的连接规律。理由是显而易见的，这种连接方式无论从输入端或输出端进入滤波器的电磁噪声均能在滤波器内获得最大的抑制。失配的对应电路失配的对应电路 或或 RL小小 或或RSRLRS小小RL或或RL小小或或RSRS小小 按此原则如在实际运用中仍不够理想时，应分析原因：【 原因之一原因之一】是对被防护设备的干扰源情况预计不足，特别是共模干扰、差模干扰谁重谁轻？因为频谱仪检测的是综合参数。但可作如下分析：【原因之二原因之二】是由于滤波器的电感和电容元件都受其分布参数的影响，频率愈高，所受的影响愈大。在实际生产过程中，如果

18、装配工艺不严格，或者电感、电容元件离额定值的偏差过大，则产品插入损耗离产品说明书的插入损耗值就大，也会造成实际效果不够理想。【原因之三原因之三】是发生在重载和满载的情况。造成的主要原由可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时，产生磁饱和现象，致使电感量迅速下降，导致插入损耗性能大大变坏。其中尤以有差模电感的滤波器为多。 PCB滤波器滤波器输入线较长输入线较长PCB滤波器滤波器输入、输出线耦合输入、输出线耦合电源滤波器的错误安装1PCB滤波器滤波器接地不良接地不良绝缘漆绝缘漆接地不良时滤波效果变差接地不良时滤波效果变差I电源滤波器的错误安装2PCB滤波器滤波器滤波效果最佳滤波效果最佳1 输入线尽量

19、短输入线尽量短2 输入、输出线隔离输入、输出线隔离3 接地良好接地良好电源滤波器的正确安装正确的安装方法正确的安装方法 1.为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），滤波器除一定要安装在设备的机架或机壳上外，为了尽量缩短滤波器的接地线，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，见图5.79所示。 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构成地电流回路，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，导致滤波器高频衰减特性变坏。所以金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。 2.滤波器要安装在设备电源线的输入端，连线要尽量短。设备内部电源要安装在滤波器

20、的输出端。若滤波器在设备内的输入线长了，输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分，见图5.80。 4.要将滤波器正确地连接到设备内部的每一单元。 若带有单独电源的若干单元安装在同一个机架内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接滤波器，否则在机架内这些单元中的每一单元的干扰都会传导给其他单元，见图5.81。 EMIEMI滤波器设计使用实例滤波器设计使用实例 EMIEMI滤波器设计使用实例滤波器设计使用实例 EMIEMI滤波器设计使用实例滤波器设计使用实例 EMCEMC测试结果举例测试结果举例n开关电开关电源源DC/DCDC/DC模块测模块测试结果；试结果；n图中明图中明显看出

21、显看出开关频开关频率率（ 580kHz580kHz）的基波的基波和各次和各次谐波谐波。 EMCEMC测试结果举例测试结果举例 电源线传导骚扰抑制 1.开关电源必须加电源滤波器。它的主要作用是抑制5MHz开关电源所产生的高次谐波。2.电源线上加铁氧体磁环。一方面可抑制电源线内的高频共模传导骚扰；另外一方面，能减小通过视盘机电源线辐射出去的骚扰能量。3.设计解码板时应注意: 1.电源线尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积。 2.时钟线、信号线也尽可能靠近地线，并且走线不要过长，以减小回路的环面积。 3.高速逻辑电路应靠近连接器边缘，低速逻辑电路和存储器则应布置在远离连接器处，中速逻辑电路则布置在

22、高速逻辑电路和低速逻辑电路之间。 4.电路板上的印制线宽度不要突变，拐角应采用圆弧形，不要直角或尖角。 5.对CMOS逻辑器件一般要安装一个1000pF的去耦电容，其位置尽可能地靠近并联在器件的电源和接地管脚。 6.采用多层板，如四层板。由于多层板具有极低的分布源阻抗，更能避免共阻抗耦合，且提供屏蔽。 7.板上和机壳的接地不能用细的导线，接地导线要短而粗，最好用铜柱。 DC/DC滤波器滤波器保证通过保证通过CE102减小电源纹波减小电源纹波即使没有即使没有DC-DC模块，直流输入滤波器对于模块，直流输入滤波器对于电路也是必要的电路也是必要的线路板安装方式滤波器的用途关于提高匝数关于提高匝数 在

23、高频情况下，一般性能电源滤波器的共模等效电路可表示为。 共模扼流圈分布电容对插入损耗的影响，可用上图共模扼流圈分布电容对插入损耗的影响，可用上图(a)、(b)表示表示。(a)表示线圈匝间的分布电容和高频噪声从分布电容通过的情况。(b)表示共模扼流圈在同一电感值下，它的插入损耗与频率特性随分布电容(大小)的影响。分布电容为零，插入损耗频响最好呈线性，分布电容愈大，插入损耗的频响愈差。左左图表示共模扼流圈插入损耗与频率特性受不同电图表示共模扼流圈插入损耗与频率特性受不同电感值的影响感值的影响,在100kHz时、电感值愈大插入损耗愈大，在100kHz后情况相反、电感值愈大插入损耗反倒略小,这就是线圈

24、受匝间和层间分布电容的影响。右图表右图表示示SF扼流圈扼流圈，用同一磁芯同一线径导线绕制不同匝数的线圈时，它们的阻抗与频率特性受不同匝数的影响的阻抗与频率特性受不同匝数的影响。因此，某一频段要获得最大的插入损耗就应该选用最佳的匝数。关于磁材和电感的阻抗关于磁材和电感的阻抗 电感中的损耗损耗R，既与磁材的涡流损耗、滞磁损耗、剰余损耗等有关，也与頻率有关与頻率有关。这些损耗会变成热能散发空间。由图中所示的阻抗曲线看到fc附近R迅速增加，说明磁材吸收了电感中的高频能量并转换为磁材的内部损耗，是利用磁材吸收能是利用磁材吸收能量的过程的过程。f2是电感的分布参数满足了谐振条件，但峰值的高低与磁材性能基本

25、无关。差模扼流圈差模扼流圈 高性能EMI滤波器为了提高差模噪声的抑制性能，往往采取差模扼流圈与CX电容组成L、T、等滤波电路。差模扼流圈与共模扼流圈的最大区别在于差模扼流圈与负载直接串联，当当通过差模扼流圈的电流过大时，会产生磁饱和通过差模扼流圈的电流过大时，会产生磁饱和现象，电感量随之下降，下降的速度取决软磁现象，电感量随之下降，下降的速度取决软磁材料的材料的B（H）和）和（H）特性曲线，所以对磁）特性曲线，所以对磁材的选择尤为重要。材的选择尤为重要。 差模扼流圈采用单个绕组结构。差模扼流圈采用单个绕组结构。 软磁材料主要有铁粉芯铁粉芯（IRON）、铁镍铁镍50（HF）、铁镍钼铁镍钼（MPP

26、）即钼坡莫合金、铁硅铝铁硅铝（MS）、非晶非晶、超微晶、硅钢等、超微晶、硅钢等。 铁镍钼铁镍钼可提供最大的Q值和最低的磁芯损耗、对温度和对交流磁通变化最稳定，是制作差模电感、整流滤波电感的最佳材料，但价格较贵。 铁镍铁镍50具有15000Gs饱和磁通密度，磁芯损耗比铁粉芯低得多，应用大电流场合可有效减小电感尺寸。 铁硅铝铁硅铝的能量贮存容量比铁镍钼铁镍钼还高，直流偏磁性能和损耗比铁粉芯好。 铁粉芯铁粉芯的饱和磁通超过10000GS，直流偏磁性能较好、价格最低，可供选择的规格多，目前应用最普遍，特别是设计得当的话它的作用是滤除导线积各种工作所不需要的它的作用是滤除导线积各种工作所不需要的高频干扰

27、成份。高频干扰成份。信号滤波器按安装方式和外形分，有线路板信号滤波器按安装方式和外形分，有线路板安装滤波器、贯通滤波器和连接器滤波安装滤波器、贯通滤波器和连接器滤波器等三种器等三种 信号滤波器任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果，对这导都会破坏原有的屏蔽效果，对这导线，必须采取滤波措施。线，必须采取滤波措施。信号滤波器共模滤波为主，这是因为电信号滤波器共模滤波为主，这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式缆上感应的电流一般都是共模形式的，而对信号电缆上传输的差模信的，而对信号电缆上传输的差模信号，希望不产生任何影响。号，希望不产生任何影响。

28、信号滤波器特点滤波性能: 滤波连接器的滤波性能是选用滤波连接器时的关键指标，滤波器的截止频率必须高于电缆上要传输的信号频率；滤波器3dB插入损耗所对应的频率为截止频率。订购产品时用滤波代码来表征滤波特性。 根据具体情况，可以用三种方法确定截止频率：模拟信号：信号的频率要低于截止频率。脉冲信号：若上升/下降时间为tr，则1/tr 小于截止频率。脉冲信号：若脉冲信号的重复频率是f，则15f小于截止频率。 6.1滤波器构造 反射式低通滤波器6.2滤波器元件 三端电容器 馈通滤波器 去耦电容器 片状电容器6.3电源线滤波器6.3.1共模和差模骚扰信号6.3.2网络结构6.3.3插入损耗6.3.4按装方法6.4信号线滤波器骚扰源阻抗滤波器类型负载阻抗低高低高高低低高源负载阻抗与滤波器网络结构的选择三端电容器的原理引线电感与电容引线电感与电容一起构成了一个一起构成了一个T形低通滤波器形低通滤波器在引线上安装两在引线上安装两个磁珠滤波效果个磁珠滤