【濾波器】EMI電源濾波器與插入損耗的技術解析
濾波器是由電容、電感以及電阻組成的濾波電路。是對信號有相應處理作用的一種器件或電路網絡結構,而且只對電源線中特定頻率進行有效濾除,結果是在輸出端得到一個所想要的頻率的信號。電源濾波器也就是EMI濾波器。它是一種能有效地濾除電網噪聲,提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性以及穩定性。
對電磁干擾的阻帶,要求盡可能高的衰減,過渡帶曲線盡可能陡(即過渡帶盡可能窄)。由于EMI濾波器衰減的定義與傳統濾波器不同,所以,傳統濾波器的各種傳遞函數表達式和現成的數據及圖表均不能直接用于EMI濾波器的設計。EMI濾波器的衰減用插入損耗來表示,本文將解析電源EMI濾波器插入損耗的計算,以及影響插入損耗的各種原因和改進方法。
一般設計時,令RS/RL=50Ω/50Ω,這有利于簡化EMI濾波器的理論計算(把RS、RL看成常數而不是變量),但實際運用RS
/RL=50Ω/50Ω的概率很少。這顯然脫離了實際情況,其理論分析與實際插入損耗相差較大。因此,CISPR出版物4.2.2.2建議:除RS /RL=50Ω/50Ω測試方法外,另外補充RS/RL=0.1Ω/100Ω和RS/RL=100Ω/0.1Ω兩種極端情況的測試方法。可以理解為幫助用戶了解該EMI濾波器在兩種極端情況下,其插入損耗有效范圍是否滿足要求。
在低頻段,電感器和電容器的分布參數可忽略不計,但在較高的頻段工作時,它們的分布參數對IL的影響就會顯示出來。而電容器中的分布電感,元件與金屬外殼之間,元件與元件之間,印刷電路板布線等均存在分布參數。這些分布參數會加入電路運算。解決元件分布參數對IL的影響有下列幾種方法:選擇優質元件;(2)估計元件分布參數,建立EMI濾波器高頻等效模型,并把元件分布參數參加濾波器設計;(3)如果IL達不到要求,可以增加濾波器的級數;(4) 通過元件布局、印刷電路板設計有利于電磁兼容等方法來解決。
在高頻段,電感器采用的納米晶體軟磁性材料的頻響不如猛鋅鐵氧體軟磁性材料的頻響。因此,在高頻段,電感器應采用錳鋅鐵氧軟磁性材料,這有利于高頻段加大插入損耗,即提高濾波器對高次諧波的仰制效果。但是,由于納米晶體軟磁材料具有很高的導磁率(μ0可達到13.5萬,μe可達到17.9萬)和高飽和磁感特性,這些特性指標遠優越鐵氧體和鈷基晶體軟磁性材料,因此,采用納米晶體材料有利于低頻段的共模插入損耗,即減少通帶的插入損耗。
當電氣設備使用場合已確定時,該設備的EMI標準就得按使用場合所在行業的EMI標準來衡量,例如,某開關電源用在信息行業,就可以使用信息行業 EMI標準來診斷,即引用GB9254(相當于EN5502)A或B級標準。該標準根據開關電源產生共模,差模干擾的特點,把頻率分為三段:0.15~0.5MHz以差模干擾為主;0.5~5MHz以差、共模干擾共存;5~30MHz以共模干擾為主。如果0.15~0.5MHz頻段不達標,可以加強差模仰制,方法可以是增加CX的值,必要時要增加差模線圈;如果5~30MHz頻段不達標,可以加強共模仰制,方法可以是增加Cy的值,必要時要增加共模的級數(由1級增至2級)。如果上述措施均告失效時,意味著EMI濾波器設計有深層次的問題,則應重新設計。
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