【盘点】电源线用EMI滤波技术
品慧电子讯要想深入了解EMI滤波技术就要首先知道电源线上的干扰，本文涵盖电磁兼容标准的内容，分析电磁干扰的类型、电源线滤波器的基本原理，总结了电源线用EMI滤波的关键技术。
1.电源线上的干扰 如果用示波器观察一下电力电网，会发现50Hz的电压上叠加着各种各样的干扰电压，既有mV级的连续干扰，也有数百V甚至上千V的瞬态干扰。这些干扰对电网中的设备会产生不同程度的影响。这些干扰是从哪里来的呢？ 我们可以将这些干扰分为自然干扰源和人为干扰源。典型的自然干扰源是雷电，空中发生雷电时，会伴随着强大的电磁场，电磁场会在空中的导体上感应出很高的电 压，这就是干扰。雷电产生的干扰是如此之大，不仅能导致设备误动作甚至造成电路损坏。人为干扰源可以分为以下两种： ●功能性能量发射设备：这类设备靠发射能量工作，如无线电设备、雷达等，他们辐射到空间的能量会感应到电力线上，形成干扰。另外，这些设备也会通过电源线直接将能量泄漏到电网上。 ●非功能性发射设备：这类设备不依靠发射能量实现特定功能。但它们工作时，会向外发射额外的电磁能量。与工业、医学上使用的高频仪器、信息处理设备、含马 达的家用电器、使用可控硅的家用电器、开关电源等。这些设备在工作时会向空间和电网上发射电磁能量。 以往，当设备在干扰的作用下发生误动作时，人们往往会将注意力集中到提高设备抗干扰性上，想方设法使设备能够在干扰环境中正常工作。但这不是一个彻底的解 决办法。就象人们意识到汽车尾气造成的污染会导致疾病，为了能够生存，虽然可以上街时戴上口罩，但这不是根本的解决办法。彻底的方法应该是控制尾气排放， 形成一个良好的生存环境。 同样，对于日趋严重的电磁污染，根本的解决方法是限制设备的电磁泄漏。另一方面，对于设备在电磁干扰环境中正常工作的能力也需要一个定量的规定，这就导致 了电磁兼容标准的产生。国家现在已将电磁兼容标准作为强制性标准实施，不满足这些标准的产品不能销售。 电磁兼容标准（GB9254,GB4343,GJB151A等）的内容： 1. 干扰发射：辐射发射；传导发射 2. 敏 感 度：辐射敏感度；传导敏感度；静电放电敏感度 电磁兼容标准对设备提出两个方面的要求，首先不能向空间环境发射过强的电磁能量，其次要对环境中的电磁干扰有一定的耐受能力。 2.电源线滤波器的作用 很多人认为电源线滤波器的作用是使设备能够电磁兼容标准中对传导发射传导敏感度的要求，但这是不全面的；后面将看到电源线滤波器对抑制设备产生较强的辐射 干扰方面也很重要。严格的说，电源线滤波器的作用是防止设备本身产生的电磁干扰进入电源线，同时防止电源线上的干扰进入设备。电源线滤波器是一种低通滤波 器，它允许直流或50Hz的工作电流通过，而不允许频率较高的电磁干扰电流通过。。电源线滤波器是双向的，它既能防止电网上的干扰进入设备，对设备产生不 良影响，使设备满足传导敏感度的要求；又能防止设备内的电磁干扰通过电通过电源线传到电网上，使设备满足传导发射的要求。 能够产生较强干扰的设备和对外界干扰敏感的的设备都要使用电源线滤波器。能够产生强干扰的的设备有：含有脉冲电路（微处理器）的设备、使用开关电源设备、 使用可控硅设备、变频调速设备、含有马达的设备等。敏感电路如：使用微处理器的设备、小信号模拟电路等。 3.电源线上干扰的类型 电源线上的干扰电流按照其流动路径分为两类，一类是差模干扰电流，另一类是共模干扰电流。差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，共模干扰是在火 线、零线与大地（或其它参考物体）之间流动的干扰电流，由于这两种干扰的抑制方式不同，因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。区分干扰电流是 差模还是共模可以从三个方面进行判断：
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- 第一页：电源线上的干扰
- 第二页：电源线滤波器的基本原理
- 第三页：实际电源线滤波器与理想滤波器的差距
- 第四页：信号电缆对电源线传导发射的影响
- 第五页：怎样在线路板上安装信号线滤波器
- 第六页：馈通滤波器的电路
- 第七页：怎样在线路板上安装信号线滤波器
- 第八页：铁氧体材料在滤波中的应用
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1）造成很强的超标辐射：机箱内的电磁能量在电缆上感应出共模电压和电流，共模电流在电缆上流动，产生了共模辐射。这种辐射往往是设备超标辐射的主要原因。 2）设备周围环境空间的电磁能量被电缆接收到后，形成共模电流，沿着导线传进机箱，一方面对与电缆直接连接的电路产生干扰，另一方面借助导线再次辐射，对机箱内的其它电路（没有直接与电缆连接的电路）造成干扰。 3）造成屏蔽体或隔离层被破坏，产生这种作用的原因也是电缆对电磁波的接收和再次辐射，导致电磁能量通过电缆泄漏，从现象上看就是屏蔽体的屏蔽效能降低。 理论和实践均表明：设备上的电缆是电磁兼容上最薄弱的环节。信号线滤波器的作用就是解决上述三个方面的问题。下面的结论是十分重要的: 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或隔离效果，对这些导线，必须采取滤波措施。 信号线滤波以共模滤波为主。这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式的，而对信号电缆上传输的差模信号，希望不产生任何影响。 15.怎样在线路板上安装信号线滤波器 当设备出现了电磁干扰问题时，许多有经验的工程师会在电缆的端口上安装滤波电路（例如滤波电容、ＲＣ滤波电路、ＬＣ滤波电路等），但经常达不到预期的效 果。这是因为我们忽视了两个原因，一个是电缆上需要滤波的电磁干扰往往都是频率很高的电磁信号（无论是接收到的空间干扰，还是设备内传导到电缆上的干 扰），而我们所作的大部分滤波电路对高频干扰的滤波效果都是很差的（由于电容的引线电感、空间的寄生参数等）。另一个原因是，滤波器的安装方式有问题（滤 波器接地不良，滤波器的输入输出端有耦合、空间耦合将滤波器旁路掉等），进一步降低了滤波器的高频滤波性能。要获得预期的效果，需要注意以下几点： １）高频特性较好的滤波器件 三端电容是一种特殊结构的电容器，它与普通电容器的区别在于，它有三根引线，其中一个电极上有两根引线。这样一个微小的改变，却使电容器的滤波效果发 生了很大的改善。普通电容的引线电感对于电容的高频滤波的作用是有害的，而三端电容却巧妙地利用了引线电感，构成了一个Ｔ型低通滤波器。三端电容的高频滤 波效果比普通电容改善了很多。如果在三端电容的两根连在一起的引线上分别安装一个铁氧体磁珠，则会大大增加Ｔ型滤波器的滤波效果。这就是我们常说的片状滤 波器。 ２）滤波器良好的接地 无论采用什么器件，这一点都是十分重要的。即使对于三端电容器，如果接地引线过长，引线的电感也是十分有害的，会使滤波性能大打折扣。对于滤除差模干 扰的滤波器，只要在布线时保证等效成电容的引线的走线尽量短就可以了，对于滤除共模干扰的滤波器，还要保证线路板与机箱之间的接地良好。一般可以通过簧片 或导电布衬垫接地。另外，用于Ｉ／Ｏ接口滤波接地目的的地线要单独安排，并且仅与线路板的其它地线在一点连接（这称为“干净”地）。当使用π型滤波电路 时，这一点更重要。 ３）滤波器并排安装，否则，已经滤波的和没有滤波的信号之间会发生串扰，使总体滤波失效。当需要滤波的引线较多时，使用多路滤波器（本公司有产品，分别对应π型滤波电路和Ｔ型滤波电路）。 ４）滤波器与机箱上电缆接口之间的引线要短，可以加一个隔挡层。 16. 馈通型滤波器是解决电磁干扰的理想器件 由于电路的工作的频率和周围环境中的电磁干扰频率越来越高，将滤波器安装在线路板上所暴露出的高频滤波不足的问题日益突出。解决高频滤波的根本方法是使用 馈通型滤波器。馈通型滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出，因此滤波器具有非常好的高频滤波效果。 馈通滤波器的使用方法有以下三种： 1）安装在屏蔽体（屏蔽箱和屏蔽机箱等）的面板上 这是最基本的使用方法，当有导线穿过屏蔽体时就需要在屏蔽体面板上安装馈通滤波器，使导线通过馈通滤波器穿过屏蔽体。 2）安装在线路板的地线层上 再多层线路板上，可以利用线路板的的地线层作隔离层和接地层。
3）安装在线路之间的隔离板上 当条件不具备，馈通滤波器不能安装在屏蔽体面板或地线面上时，安装在金属隔板上也具有普通电容（包括三端电容）不可比拟的高频滤波作用。 馈通滤波器焊接式安装和螺纹安装两种。焊接式安装的优点是节省空间，滤波性能可靠。但在将滤波器焊接到面板上时，由于面板的热容量远大于滤波器的热容量，因此焊接的局部温度有可能达到很高，造成滤波器损坏。焊接时要注意控制焊接的时间和温度。 螺纹安装的方式简单易行，可以在面板上打通孔，用螺母将馈通滤波器拧紧，也可以在面板上打带螺纹的孔，将馈通滤波器直接拧上。无论是用哪一种方法，要注意 两点，一是扭矩不能太大，馈通滤波器虽然从外表上看与螺钉一样坚固，但是由于内部是空心的，扭矩过大会造成损坏。二是在安装时要套上锯齿垫片，这样可以保 持良好的接触。 17.馈通滤波器的电路 滤波器的电路结构C型（单个穿心电容）、L型（一个穿心电容加一个电感）、T型（两个电感加一个穿心电容）、π型（两个穿心电容加一个电感）等，滤波器的电路器件越多，则滤波器的过渡带越短，阻带的插入损耗越大。选用滤波电路的依据是： １）对干扰的衰减量：滤波器的器件数量越多，一般对干扰信号的衰减越大（但有例外，当没有符合下面第３项的原则时，衰减量可能与器件数量较少的一样）。 ２）有用信号与干扰信号在频率上的差别：有用信号与干扰信号的频率相差越小，需要滤波器的器件数量越多。 ３）使用滤波器电路的阻抗：一个基本原则是，滤波器中的电容对着高阻抗电路，电感对这低阻抗电路。这里所谓的高低，可以以５０Ω为参考。 18.滤波阵列板与滤波连接器 滤波阵列板与滤波连接器是馈通滤波器的概念的两种延伸。当需要滤波的导线数量较多时逐个焊接和安装是十分繁琐的事，这时可以使用滤波阵列板与滤波连接器如图所示。 滤波阵列板上的滤波器已经由厂家使用特殊工艺焊接好，性能可靠，使用简便。滤波阵列板上的滤波器的间隔为２．５４ｍｍ，因此扁平电缆的接头可以直接插上，避免了逐根焊线的繁琐，便于组装。滤波阵列板一般用在机箱的内部。 对于机箱外部的电缆进行滤波必须使用滤波连接器，这样才便于电缆的插拔。一般滤波连接器的外形尺寸与普通连接器是完全相同的，可直接取代普通连接器。不同的是滤波连接器的每一个针（孔）上安装了一个低通滤波器，滤除信号线上的高频干扰。 使用滤波阵列板时，要注意的问题是：一定要在滤波阵列板与安装面板之间安装电磁密封衬垫，否则在缝隙处会有很强的电磁泄漏。 19.自制滤波连接器 滤波连接器对与电缆造成的干扰十分有效。但滤波连接器的价格一般较高，并且不是所有型号的连接器都有对应的滤波连接器。这给实际工程带来很大不便。如果对 空间的限制不严，可以自己制作滤波连接器，其效果与成品相同（甚至更好，因为有些成品滤波连接器内的滤波器件接地不太可靠），只是需要额外的加工费和安装 空间。 自制滤波连接器的方法有两个，一个是在设备面板上安装上选好的连接器后，在连接器的后面装一个屏蔽盒，屏蔽盒上安装馈通滤波器（或滤波阵列板）。另一个方法是将选好的连接器与馈通滤波器（阵列板）安装在一个独立的金属盒内，构成一个滤波部件。 20.怎样确定滤波器的参数 选用滤波器时，最重要的三个参数额定电流、额定电压和截止频率。额定电流就是指流过滤波器的信号电流，一般很好确定。在确定额定电压时往往会犯一些错误，而在确定截止频率时往往感到困惑。 电压的确定：如果所滤波的导线不会受到静电放电、电脉冲、涌浪等高压的冲击，电路的工作电压就是滤波器的额定工作电压。如果不是这样，例如，拖在设备外部的电缆，会受到高压的冲击，需要充分考虑到这种情况。一般额定工作电压要达到200V以上。 截止频率的确定：信号线滤波器的截止频率定义是插入损耗为3dB时的频率。截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能信号的带宽，保证设备的正常工作， 同时最大限度的滤除不必要的高频干扰。对于模拟信号，截止频率很好确定，只要保证截止频率大于信号的带宽即可。对于数字脉冲信号，截止信号可定为 1/πtr,tr是脉冲的上升/下降时间。如果是周期性脉冲信号，也可以取脉冲重复频率的15倍作为截止频率。
滤波电容的确定：电容值越大，滤波器的截止频率越低，对于单个电容的滤波电路而言，截止频率为：Fco=1/(2πRpC),Rp是原电路阻抗与负载电路阻抗的并联值。
21.铁氧体材料在滤波中的应用 电磁干扰抑制铁氧体磁环、磁珠等由于使用方便、价格低廉而倍受设计人员的青睐，它的主要优点如下:
1)使用非常方便，直接套在需要滤波的电缆上即可。
2)不像其它滤波方式那样需要接地，因此对结构设计、线路板设计没有特殊的要求。
3)作为共模扼流圈使用时，不会造成信号失真，这对于传输高频信号的导线而言非常可贵。
电磁干扰抑制铁氧体与普通铁氧体的最大区别在于它具有很大的损耗，用这种铁氧体做磁芯制作的电感，其特性更接近电阻。它是一个电阻值随着频率增加而增加的电阻，当高频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。
要充分发挥铁氧体的性能，下面一些注意事项十分重要：
A）铁氧体磁环（磁珠）的效果与电路阻抗有关：电路的阻抗越低，则铁氧体磁环（磁珠）的滤波效果越好。因此，在一般铁氧体材料的产品手册中，并不给出铁氧体材料的插入损耗，而是给出铁氧体材料的阻抗，铁氧体材料的阻抗越大，滤波效果也越好。
B）电流的影响:当穿过铁氧体的导线中流过较大的电流时，滤波器的低频插入损耗会变小，高频插入损耗变化不大。要避免这种情况发生，在电源线上使用时，可以将电源线与电源回流线同时穿过铁氧体。
C）铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，高频的阻抗越小。
D）铁氧体磁环尺寸的确定：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在铁氧体磁环内径包紧导线的前提下，尽量使用体积较大的磁环。
E）共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。
F）电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为寄生电容增加的缘故。
G）铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环尽量靠近机箱电缆的进出口。
H）与电容式滤波连接器一起使用效果更好：由于铁氧体磁环的效果取决于电路的阻抗，电路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了电容式滤波连接器时，其阻抗很低，磁环的效果更明显。
铁氧体磁芯的线圈在频率较低时，仍然是一个电感，对于这种单个电感构成的滤波电路而言，截止频率为：Fco=1/(2πRsL),Rs是原电路阻抗与负载电路阻抗的串联值。
