電源濾波器

1　基本簡介

　　電源濾波器就是對電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號。

　　利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。

　　大功率電源的濾波器如Satons、UBS、變頻器等將會產(chǎn)生大量諧波電流，這類濾波器需采用有源電力濾波器APF。APF可對2~50次諧波電流進(jìn)行濾除。這類濾波器的生產(chǎn)廠家有英納仕電氣、ABB、西門子等廠家。

2　工作原理

　　電源濾波器主要構(gòu)件

　　電源濾波器是一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，它的一端是電源，另一端是負(fù)載。

　　電源濾波器內(nèi)部電路

　　電源濾波器的原理就是一種——阻抗適配網(wǎng)絡(luò)：電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對電磁干擾的衰減就越有效。

　　3性能測試

　　漏電流

　　泄漏電流是指在250VAC的電壓下，相線和中線與濾波器外殼(地線)間流過的電流。它主要取決于接地電容(共模電容)的取值。較大的共模電容CY可以提高插入損耗，但卻造成較大的漏電電流。泄漏電流的測試電路如圖所示：

　　漏電流性能測試(4張)耐壓

　　為確保電源濾波器的性能以及設(shè)備和人身安全，必須進(jìn)行耐壓測試。耐壓測試是在極端工作條件下的測試。若CX電容器的耐壓性能欠佳，在出現(xiàn)峰值浪涌電壓時(shí)，可能被擊穿。它的擊穿雖然不危及人身安全，但會使濾波器功能喪失或性能下降。CY電容器除了滿足接地漏電流的要求外，還在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全余量，避免在極端惡劣的環(huán)境條件下出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象。故線一地之間的耐壓性能對保護(hù)人身安全有重要意義，一旦設(shè)備或裝置的絕緣保護(hù)措施失效，可能導(dǎo)致人員傷亡。

　　性能評定

　　EMI電源濾波器在使用時(shí)考慮最多的是額定電壓及電流值、耐壓性能、漏電流三項(xiàng)，而其中最主要的評定性能為濾波器的插入損耗性能。

　　EMI電源濾波器對干擾噪聲的抑制能力用插入損耗I．L．(InsertionLoss)來衡量。插入損耗定義為：沒有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用dB(分貝)表示。

　　性能評定

　　頻域測試

　　1.插入損耗的標(biāo)準(zhǔn)測試

　　在標(biāo)準(zhǔn)測量法中規(guī)定，在50Ω～75Ω之間的任一阻值的系統(tǒng)內(nèi)測試它的插入損耗特性。

　　2.插入損耗的加載測試

　　在EMI濾波器產(chǎn)品中，由于使用不合適的材料，共模扼流圈不可能保證完全對稱會導(dǎo)致磁環(huán)的飽和，同時(shí)寄

　　插入損耗的標(biāo)準(zhǔn)測試

　　生差模電感也可能產(chǎn)生磁環(huán)的飽和，使得濾波器的實(shí)際使用情況與廠家提供數(shù)據(jù)有很大差距，因此必須對濾波器采用加載測試。

　　3.EMI濾波器的時(shí)域測試

　　一般地，對于EMI電源濾波器我們只關(guān)心它的常規(guī)性能及頻域抑制性能。而對于EMI信號線濾波器，由于傳輸線本身就會產(chǎn)生一定的電磁干擾，所以測試信號必然會產(chǎn)生一定的衰減。這時(shí)，我們就要對其進(jìn)行時(shí)域傳輸性能上的測試。

　　使用50kHz的方波對電容值為8000pF的濾波插針進(jìn)行濾波，發(fā)現(xiàn)其時(shí)域的上升沿和下降沿有明顯的變化。頻域上，經(jīng)過濾波后，方波信號的高頻分量被濾除。

　　對于通過同一濾波插針，方波的頻率越高，其諧波信號被濾波插針?biāo)p的將會越大，則方波的波形上升及下降時(shí)間將會越長。同樣，對于同樣的頻率波形，通過濾波插針，其濾波容值越大，方波上升時(shí)間趨緩的程度越大。

　　4.EMI濾波器插損自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　隨著EMC測試的內(nèi)容日趨復(fù)雜，測試工作量急劇增加，對測試設(shè)備在功能、性能、測試速度、測試準(zhǔn)確度等方面的要求也日益提高。在這種情況下，傳統(tǒng)的人工測試已經(jīng)很難滿足要求，國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)均要求電磁兼容的檢測必須自動進(jìn)行，并且對數(shù)據(jù)后處理有嚴(yán)格的要求。因此，發(fā)展EMC自動測試成為必然之路。本文所建立的自動測試系統(tǒng)使用了虛擬儀器技術(shù)，基于信號源一頻譜儀對EMI電源濾波器進(jìn)行插損測試的系統(tǒng)。

4　安裝

　　1、電源濾波器的不能存在電磁耦合路徑

　　①電源輸入線過長；

　?、陔娫礊V波器的輸入線和輸出線靠的過近。

　　此兩種都是不正確的安裝方式，問題的本質(zhì)在于，濾波器的輸入端電線和它的輸出端電線之間存在有明顯的電磁耦合路徑。這樣一來，存在于濾波器某一端的EMI信號會逃脫濾波器對它的抑制，不經(jīng)過濾波器的衰減而直接耦合到濾波器的另一端去。因此濾波器輸入與輸出先需有效分開。

　　另外，如上述兩種把電源濾波器都是安裝在設(shè)備屏蔽的內(nèi)部，設(shè)備內(nèi)部電路及元件上的EMI信號會因輻射在濾波器的（電源）端引線上生成EMI信號而直接耦合到設(shè)備外面去，使設(shè)備屏蔽喪失對內(nèi)部元件和電路產(chǎn)生的EMI輻射的抑制。當(dāng)然，如果濾波器（電源）上存在有EMI信號，也會因輻射而耦合到設(shè)備內(nèi)部的元件和電路上，從而破壞濾波器和屏蔽對EMI信號的抑制作用。所以起不到效果。

　　2、不能將線纜捆扎在一塊

　　一般來說，在電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)安裝電源濾波器時(shí)要注意的是，在捆扎設(shè)備電纜時(shí)，千萬不能把濾波器（電源）端和（負(fù)載）端的電線捆扎在一起，因?yàn)檫@無疑加劇了濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合，嚴(yán)重破壞了濾波器和設(shè)備屏蔽對EMI信號的抑制能力。

　　3、要盡量避免使用長接地線

　　電源濾波器輸出端連接變頻器或電機(jī)的接線長度不超過30厘米為宜。

　　因?yàn)檫^長的接地線意味著大大增加接地電感和電阻，它會嚴(yán)重破壞濾波器的共模抑制能力。較好方法是，用金屬螺釘與星形彈簧墊圈把濾波器的屏蔽牢牢地固定在設(shè)備電源入口處的機(jī)殼上。

　　4、電源濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離

　　電源濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離，切忌并行，以免降低濾波器效能。

　　5、電源濾波器外殼與機(jī)箱殼必須良好接觸

　　變頻器專用濾波器金屬殼與機(jī)箱殼必須保證良好面接觸，并將接地線接好。

　　6、電源濾波器的連接線宜選用雙絞線

　　電源濾波器的輸入、輸出連接線以選用屏蔽雙絞線為佳，它可有效消除部分高頻干擾信號。

5　目的

　　電源濾波器的目的是在抑制電磁噪聲，噪聲的影響可分為以下二種：

　　發(fā)射（Emissions）：是要將由設(shè)備產(chǎn)生，影響電源或其他設(shè)備的噪聲降到法規(guī)（例如FCCpart15）允許值以下，例如由開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲。

　　抗擾（Immunity）：是要將進(jìn)入設(shè)備的噪聲降低到不會使設(shè)備出現(xiàn)異常動作的程度，例如用在廣播電臺發(fā)射設(shè)備中的儀器。

　　電源濾波器要抑制的噪聲可分為以下的二種：

　　共模：在二條（或多條）電源線都相同的噪聲，可視為電源線對地的噪聲。

　　差模：電源線和電源線之間的噪聲。

　　同一個(gè)電源濾波器對于共模噪聲及差模噪聲的抑制能力會有所不同，一般會用頻率對應(yīng)抑制量（以分貝表示）的頻譜來說明。

6　結(jié)構(gòu)

　　電源濾波器一般都設(shè)計(jì)為只由電阻、電容及電感組成的被動濾波器，沒有像晶體管之類的主動元件。電源濾波器的上方接電源，電源端有一個(gè)共模電感，也就是電源的二條線依同一個(gè)方向繞在鐵心上，電源線上若有共模訊號，其在共模電感產(chǎn)生的磁場會相加，因此有較大的阻抗，而差模訊號在共模電感產(chǎn)生的磁場會互相抵消，因此可以流過共模電感。電源流過的電流主要是差模的，但上面也可能會噪聲以差模的形式出現(xiàn)，若要抑制差模噪聲，需要另外使用差模電感，或是各相有個(gè)別的電感器。

　　在電源濾波器上會使用特別的安規(guī)解耦電容，分為X電容及Y電容二類：

　　X電容：抑制差模干擾（電源線之間的干擾）。

　　Y電容：抑制共模干擾（各組電源線對地之間的干擾）。

　　由于Y電容提高會使電器的漏電流增加，而電器的漏電流有其規(guī)定范圍，因此Y電容不能太大，一般都會比X電容要小。

　　X電容和Y電容屬于安規(guī)電容，即其失效后不會造成電擊，也不會影響人身安全。二者都有自我復(fù)原（self-healing）作用，會使局部短路的部份恢復(fù)原來的絕緣狀態(tài)。[1]7常見錯(cuò)誤編輯在實(shí)驗(yàn)測試過程中，我們常遇到這樣的情況：雖然設(shè)計(jì)工程師在設(shè)備電源線上接了電源濾波器，但是該設(shè)備還是不能通過"傳導(dǎo)騷擾電壓發(fā)射"測試，工程師懷疑濾波器的濾波效果不好，不斷更換濾波器，仍不能得到理想的效果。[2]分析設(shè)備超標(biāo)的原因，不外乎以下兩個(gè)方面：

　　1)設(shè)備產(chǎn)生的騷擾太強(qiáng);

　　2)設(shè)備的濾波不足。

　　對于第一種情況，我們可以通過在騷擾源處采取措施，降低騷擾的強(qiáng)度，或者增加電源濾波器的階數(shù)，提高濾波器對騷擾的抑制能力來解決。對于第二種情況，除了濾波器自身性能不好以外，濾波器的安裝方式對它的性能影響很大。這一點(diǎn)往往是被設(shè)計(jì)工程師忽視的。在很多測試中，我們通過更改濾波器的安裝方式就能使設(shè)備順利通過測試。下面是一些常見的濾波器錯(cuò)誤安裝方式對濾波器性能影響的實(shí)例。

　　輸入線太長

　　許多設(shè)備的電源線進(jìn)入機(jī)箱后，經(jīng)過很長的導(dǎo)線才接到濾波器的輸入端。例如，電源線從機(jī)箱后面板輸入，走行到前面板的電源開關(guān)，又回到后面板接到濾波器。或者濾波器的安裝位置距離電源線入口較遠(yuǎn)，造成引線太長。如圖1所示。

　　電源線過長

　　由于電源入口到濾波器輸入端的引線過長，設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾通過電容性或電感性耦合，重新耦合到電源線上，而且騷擾信號的頻率越高，耦合越強(qiáng)，造成實(shí)驗(yàn)失敗。

　　平行走線

　　有的工程師為了使機(jī)箱內(nèi)部的走線美觀，常常把線纜捆扎在一起，這對電源線是不允許的。如果把電源濾波器的輸入輸出線平行走線或捆扎在一起，由于平行傳輸線之間存在分布電容，這種走線方式相當(dāng)于在濾波器的輸入輸出線之間并接了一個(gè)電容，為騷擾信號提供了一條繞過濾波器的路徑，導(dǎo)致濾波器的性能大幅下降，頻率很高時(shí)甚至失效(如圖2所示)。等效電容的大小與導(dǎo)線距離成反比，與平行走線的長度成正比。等效電容越大，對濾波器性能的影響越大。

　　平行走線對濾波器的影響

　　圖2平行走線對濾波器的影響

　　接地和殼體

　　這種情況也比較普遍。許多工程師安裝濾波器時(shí)，濾波器的殼體和機(jī)箱之間搭接不良(有絕緣漆);同時(shí)，使用的接地線較長，這將導(dǎo)致濾波器的高頻特性變壞，降低濾波性能。由于接地線較長，在高頻時(shí)導(dǎo)線的分布電感不能忽視，如果濾波器搭接良好，干擾信號可以通過殼體直接接地。如果濾波器的殼體和機(jī)箱之間搭接不良，相當(dāng)于濾波器的殼體(地)與機(jī)箱之間存在一個(gè)分布電容，這將導(dǎo)致濾波器高頻時(shí)接地阻抗較大，尤其在分布電感和分布電容諧振的頻率附近，接地阻抗趨于無窮。濾波器接地不良對濾波器性能的影響如圖3所示。

　　從圖3中可以看到，由于濾波器接地不良，接地阻抗較大，有一部分騷擾信號能通過濾波器。為了解決搭接不良，應(yīng)把機(jī)箱上的絕緣漆刮掉，保證濾波器殼體和機(jī)箱有良好的電氣連接。

　　在這種安裝方式下，濾波器的殼體和機(jī)殼接觸良好，堵住電源線在機(jī)箱上的開口，提高了機(jī)箱的屏蔽性能;另外，濾波器的輸入輸出線之間有機(jī)箱屏蔽相隔離，消除了輸入輸出線之間的騷擾耦合，保證濾波器的濾波性能。

　　濾波器接地不良對濾波器性能的影響

　　濾波器的安裝方式直接影響了濾波器的濾波效果，為了充分發(fā)揮濾波器的性能，在安裝濾波器時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

　　1)在電源入口處就近安裝，最好用濾波器殼體蓋住機(jī)箱上的電源線入口孔，如圖4所示；

　　2)接地線越短越好；

　　3)濾波器殼體與機(jī)箱良好搭接；

　　4)濾波器輸入輸出線分開，不能并行或交叉；

　　5)避免濾波器附近有強(qiáng)干擾源。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一方面，以現(xiàn)有電磁脈沖模擬器為基礎(chǔ)，可產(chǎn)生滿足標(biāo)定要求的脈沖電場，實(shí)驗(yàn)中電場傳感器測量波形與模擬器負(fù)載電壓測量波形一致，采用分壓器測得電壓可獲得標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)的電場;另一方面，不同校準(zhǔn)裝置中獲得的標(biāo)定數(shù)據(jù)一致性較好。在本文研究中未考慮傳感器的置入對場的均勻性的影響，下一步研究中將進(jìn)一步評估。