原创 电源滤波器的作用、种类、分类方法

电源滤波器的作用就是减少电源干扰,而电源干扰可以分为两类:普通模式和共通模式。普通模式是两组输入电源线之间的杂讯,这种杂讯通常是在关机和开机时产生。而共通模式是指因为器材接地不良,又或是广播无线电及冰箱马达电磁、日光节能灯镇流器、洗衣机、风扇可控硅调速等引发的干扰！

　　滤波器的种类很多，分类方法也不同。
　　1.从功能上分；低、带、高、带阻。
　　2.从实现方法上分:FIR、IIR
　　3.从设计方法上来分：Chebyshev(切比雪夫）,Butterworth（巴特沃斯）
　　4.从处理信号分：经典滤波器、现代滤波器
　　等等。
　　滤波器与漏电流
　　电网滤波器漏电流定义为:在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任应一端的电流，如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的,则漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流，即主要取决于CY的容量。由于滤波器漏电流的大小，设计到人身安全，国际上各国对插都有严格的标准规定。对于是20V/50Hz交流电网供电，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA。
　　?滤波器与试验电压
　　对于交流电网噪声滤波器，试验电压分为两种：一种是加在交流进线两端，即线—线试验电压。若电感线圈及引线是良好的，它取决于电容器CX的耐压。另一种是加在交流进线任一端与机壳地之间，即线—地试验电压。它取决于CX的耐压。
　　漏电流和试验电压对是噪声滤波器的安全性能参数，是滤波器中电感线圈、绝缘和电容器CX、CY安全性能的具体体现，并且与设备及人身安全紧密相关。因此在电网噪声滤波器的设计、生产和使用中，都要加以重视，把这些技术参数的认证和检验放在首位。
　　[7] 滤波器的技术参数及正确使用
　　(1)插入损耗是噪声滤波器的重要技术参数之一，在设计和选用时应予主要考虑。在滤波器的安全常规电气性能、环境及机械条件都满足要求时，应尽量选择插入损耗值大些。
　　插入损耗的定义如图3所示，当没接滤波器时，信号源输出电压为V点，当滤波器接入后，在滤波器的输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等，都是50Ω，则滤波器的插入损耗为：
　　IL=20log(V1/V2)
　　因为电源噪声滤波器能衰减共模噪声和差模噪声，所以它即有共模插入损耗，和差模插入损耗。
　　但在实际选用滤波器时，应注意产品手册给出的插入损耗曲线，都是按照标准规定，在其输入和输出阻抗都为50Ω条件下测得的。因为实际的滤波器两端阻抗不一定在全频率范围内是不是50Ω，所以它对EMI信号的衰减，并不等于产品手册中给出的插入损耗值。特别当使用安装不当时，还会远远小于标准给定的插入损耗值。
　　(2)电源噪声滤波器是一种具有互易性的无源网络。在实际应用中为使它有效地抑制噪声应合理配接。按图4所示组合来选择滤波器的网络结构和参考，才能得到较好的EMI抑制效果。
　　当滤波器的输出阻抗与负载阻抗不相等时，在此端口上会产生反射，两个阻抗相差越大，端口产生的反射也越大。当滤波器两端阻抗都与外部阻抗不相等时，则EMI信号将在其输入和输出端产生反射。这时电源滤波器对电磁干扰噪声的衰减，就与滤波器固有的插入损耗和反射损耗有关，可利用这点更有效地抑制电磁干扰噪声。在实际设计和选择使用EMI滤波器时，要注意滤波器阻抗的正确连接，以造成尽可能大的反射，使滤波器在很宽的频率范围内造成较大的阻抗失配，从而得到更好的电磁干扰抑制性能。
　　(3)在电源滤波器的实际应用中，要求其外壳与系统地之间有良好的电气连接，且应使地线尽可能短，因为过长的接地线会加大接地电阻和电感，而严重削减滤波器的共模抑制能力，同时也会产生公共接地阻抗耦合的问题。如图5所示，接地线过长，则滤波器输入和输出之间的公共耦合阻抗Zg也会过大，负载上电压为：
　　Vo=Vz+Vg=Vz+(Ii-Io)Zg --(2)
　　式中：Ii为滤波器交流输入电路的噪声电流。
　　Io为滤波器输出电路的噪声电流。
　　开关电源EMI滤波器的正确选择与使用
　　举例说明：
　　德国 VDE0565.2 高压测试（AC）P，N→E 1.5KV／50Hz 1分钟
　　瑞士 SEV1055 高压测试（AC）P，N→E 2?Un＋1.5KV／50Hz 1分钟
　　如最大工作电压Un＝250V（AC），则2?Un＋1.5KV＝2KV
　　美国 UL1283 高压测试（AC）P，N→E 1KV／60Hz 1分钟
　　可见，共模电容Cy的耐压测试条件（瑞士）SEV1055比（美）UL1283高出一倍。
　　德国 VDE0565.1 高压测试（DC）P→N 4.5VnKV 1分钟
　　如最大工作电压Vn＝250V（DC）则
　　4.3?Vn＝4.3×0.250×2根号2＝3.040KV 1分钟
　　瑞士 SEV1055 高压测试（DC） P→N 4.3VnKV 1分钟
　　美国 UL1283 高压测试（DC） P→N 1.414KV 1分钟
　　可见，差电模电容Cx的耐压测试条件，瑞士也比美国高出一倍左右。
　　这里要说明的是
　　a. P→N耐压测试采用直流电压的原因是因为Cx容量较大。如采用交流测试，则耐压测试仪要求电流容量大，造成成本高，体积大。采用直流电压测试就不存在这种问题。但要将交流工作电压换成等效的直流工作电压。如最大交流工作电压250V（AC）＝250×2根号2＝707V（DC）直流工作电压。所示UL1283安全规范1414V（DC）＝2?Vn。
　　b. 国际著名滤波器专业厂说明书中耐压测试条件
　　美国 Corcom公司 P，N→E 2250V（DC） 1分钟
　　P→N 1450V（DC） 1分钟
　　瑞士 Schaffner公司P，N→E 2KV（AC） 1分钟
　　P→N 不测 1分钟
　　国内滤波器专业厂一般参考德国VDE安规或参考美国UL安规。
　　3.2 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到地端的泄漏电流要尽可能的小，否则将危及人身安全。图12描述了一路泄漏电流通过人体构成大地回路的情况（图12中E表示滤波器的接地点，FG表示机架的接地点）。对地电容应为C1和杂散电容之和。实际上，通过人体的泄漏电流是两路，所以滤波器泄漏电流应为一路泄漏电流的两倍。设备中使用的滤波器愈多，泄漏电流也愈大。因此，千万要加以注意。
　　同样，国际上泄漏电流的安全规范，各主要工业国家也有所区别。
　　美国
　　UL478
　　UL1283
　　5mA,120V,60Hz; 0.5~3.5mA,120V,60Hz
　　加拿大
　　C22.2 No.1
　　5mA,120V,60Hz
　　瑞士
　　SEV 1054-1
　　IEC 335-1
　　0.75mA,250V,50Hz
　　德国
　　VDE 0804
　　3.5mA,250V,50Hz
　　这里要说明的是：
　　a. 泄漏电流直接和电网电压、电网频率成正比。因此，对于400Hz电网频率要特别注意，否则在相同电网电压的情况下，同一滤波器的泄漏电流要增加8倍（对于50Hz），很可能不符合安规要求。
　　b. 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。测量时，滤波器金属外壳不能接地，一定要悬浮。
　　c. 三相滤波器的泄漏电流应是各相泄漏电流之和。
　　4 正确安装方法
　　a. 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。
　　（a）不正确的安装方法
　　（b）正确的安装方法
　　图14 滤波器的安装方法
　　b. 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（参见图15）。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。
　　c. 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。
　　d. 要将噪声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一个机壳内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接各自的噪声滤波器，否则在机壳内，这些单元中的每一单元的噪声都会传导给其他单元.
　　电源滤波器的基本原理
　　电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许直流或50Hz电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。
　　电源滤波器的主要指标
　　当我们选用电源滤波器时，应主要考虑三个方面的指标；首先是电压/电流，其次是插入损耗，最后是结构尺寸。由于滤波器内部一般是经过灌封处理的，因此环境特性不是主要问题。但是所有的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定的影响。
　　a）电压、电流对使用效果的影响
　　电源有交流直流之分，与此相对应，许多厂家的电源滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲，交流电源滤波器既可用在交流电源上，也可在直流电源上使用；但直流电源滤波器不能用在交流的场合，这主要因为直流滤波器中的电容器的耐压较低，并且有可能其交流损耗较大，导致过热。即使直流滤波器耐压没有问题，由于直流滤波器中使用了容量较大的共模滤波电容器，如果在交流的场合会产生漏电流超标的问题。因此，直流电源滤波器绝对不能用在交流的场合。交流滤波器用在直流场合，从安全的角度看没有问题，但要付出成本和体积的代价；在样机阶段，如果手头正好有交流滤波器，可以代替直流滤波器。
　　当电源滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会造成滤波器过热，而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。这是因为滤波器中的电感在较大电流的情况下，磁芯会发生饱和现象，使实际电感量减小。因此，确定滤波器的额定工作电流时，要以设备的最大工作电流为准，确保滤波器在最大电流状态下具有良好的性能，否则当干扰在最大工作电流状态下出现时，设备会受到干扰或传导发射超标。
　　在确定滤波器的额定电流时，要留有一定的余量；特别是人们习惯上对交流电称“有效值”，而不是交流电的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般滤波器的额定电流值应取实际电流值的1.5倍。
　　b) 插入损耗对使用效果的影响：
　　从抑制干扰的角度考虑，插入损耗是最重要的指标。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。
　　选用电源滤波器是怎样确定所需要的插入损耗
　　首先在设备的电源入口处不安装滤波器，对设备进行传导发射和传导敏感度的测量，并与要满足的标准进行比较，看两者之间相差多少分贝，滤波器的作用是弥补上这个差距。以抑制设备的传导发射为例，给出了确定滤波器插入损耗的过程。首先将设备的传导发射值最大包络线（a）与标准给出的限制值线（b）相比较，计算其差值得到需要的插入损耗值（c）。由于电源滤波器是低通滤波器将插入损耗线（c）变换为低通滤波器插入损耗的形式（d），（d）就是滤波器需要的插入损耗值。
　　注意: （d）并不是低频滤波器的特性，而是一个带阻滤波器的特性，这是考虑到实际滤波器的非理想性（见下一节）。
　　但如果从厂家的产品样本上选择插入损耗值满足（d）的滤波器，十有八九会失败。因为厂家产品样本上的数据是在滤波器两端阻抗为50Ω的条件下测得的，而实际使用条件并不是这样。因此在实际使用条件下，滤波器的插入损耗会有所降低。为了保险起见，在从产品样本中选择滤波器时，应加20dB的余量，这就得到了（e）。从样本上选择滤波器，其插入损耗应满足（e）的要求。
　　实际电源滤波器与理想滤波器的差距
　　理想的电源滤波器是低通滤波器，但实际的电源滤波器通常是带阻滤波器。造成这种差别的原因是电容器和电感器的非理想性。
　　电容器的引线是有电感的，而电感线圈上又存在着寄生电容，尽管这些电感、电容很小，但当频率较高时，它们的影响是不能忽略的。因此由实际电感、电容器构成的低通滤波器电路在频率较高时，就变成了一个带阻滤波器电路。
　　此外，高频时器件之间的耦合也是造成滤波器在高频区间插入损耗减小的一个原因。从图可以看到，器件之间的距离对滤波器的高频性能有很大的影响。这种影响在1MHz时就已经很明显了。
　　因此，即使滤波器的电路结构完全相同，由于器件的特性不同、器件的安装方式的不同、内部结构的不同，它们的高频性能会差很多。滤波器的电路结构仅决定了滤波器的低频特性。要想提高滤波器的高频性能，生产时需要从许多方面注意制作工艺，如选用电感小的电容器、制作寄生电容小的电感、焊接时电容器的引线尽量短、在内部采取适当的隔离等。
　　电源滤波器高频插入损耗的重要性
　　许多人认为，既然传导发射极限值的频率上限30MHz，那么就没有必要对滤波器的高频衰减提出要求。这是一个误解，也正是存在这种错误的概念让许多人在使设备满足电磁兼容标准的过程中走了很长弯路，浪费了大量的时间和经费。
　　由于设备上的电缆是高效的辐射天线，当电缆上有高频传导电流时，会产生强烈的辐射，使设备不能满足辐射发射极限值的要求。因此，当电源线上有高频干扰电流时，同样也会产生辐射，使设备的辐射发射超标。对于一个没有电磁兼容经验的人来说，这个问题是很难发现的；因为当他所开发的设备辐射发射超标时，它会从机箱、信号电缆等环节检查（这是许多教科书和培训班中所介绍的），而根本想不到会是电源线的问题。
　　特别是设备的电源线传导发射已经满足了标准要求时，它绝想不到应再次检查电源线是否有问题，所以，电源滤波器的高频特性是十分重要的。
　　特别提示：当设备的辐射发射不合格时，别忘记检查电源线的共模传导发射，很多场合辐射发射的超标时由于电源线上的共模电流造成的。