隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,電子、電力電子、電氣設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛,它們?cè)谶\(yùn)行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿整個(gè)空間,形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。
復(fù)雜的電磁環(huán)境要求電子設(shè)備及電源具有更高的電磁兼容性。于是抑制電磁干擾的技術(shù)也越來越受到重視。
接地、屏蔽和濾波是抑制電磁干擾的三大措施。
電源設(shè)備中噪聲濾波器的作用
電子設(shè)備的供電電源,如220V/50Hz交流電網(wǎng)或115V/400Hz交流發(fā)電機(jī),都存在各式各樣的EMI噪聲。
其中人為的EMI干擾源,如各種雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等設(shè)備的無線電發(fā)射信號(hào),會(huì)在電源線上和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號(hào),電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械和點(diǎn)火系統(tǒng),會(huì)在感性負(fù)載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)過程和輻射噪聲干擾;
還有自然干擾源,比如雷電放電現(xiàn)象和宇宙中天電干擾噪聲,前者的持續(xù)時(shí)間短但能量很大,后者的頻率范圍很寬。另外電子電路元器件本身工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱噪聲等。
這些電磁干擾噪聲,通過輻射和傳導(dǎo)耦合的方式,會(huì)影響在此環(huán)境中運(yùn)行的各種電子設(shè)備的正常工作。
另一方面,電子設(shè)備在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生各種各樣的電磁干擾噪聲。比如數(shù)字電路是采用脈沖信號(hào)(方波)來表示邏輯關(guān)系的,對(duì)其脈沖波形進(jìn)行付里葉分析可知,其諧波頻譜范圍很寬。另外在數(shù)字電路中還有多種重復(fù)頻率的脈沖串,這些脈沖串包含的諧波更豐富,頻譜更寬,產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也更復(fù)雜。
各類穩(wěn)壓電源本身也是一種電磁干擾源。在線性穩(wěn)壓電源中,因整流而形成的單向脈動(dòng)電流也會(huì)引起電磁干擾;開關(guān)電源具有體積小,效率高的優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代電子設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛,但是因?yàn)樗诠β首儞Q時(shí)處于開關(guān)狀態(tài),本身就是很強(qiáng)的EMI噪聲源,其產(chǎn)生的EMI噪聲既有很寬的頻率范圍,又有很高的強(qiáng)度。這些電磁干擾噪聲也同樣通過輻射和傳導(dǎo)的方式污染電磁環(huán)境,從而影響其它電子設(shè)備的正常工作。
對(duì)電子設(shè)備來說,當(dāng)EMI噪聲影響到模擬電路時(shí),會(huì)使信號(hào)傳輸?shù)男旁氡茸儔?,?yán)重時(shí)會(huì)使要傳輸?shù)男盘?hào)被EMI噪聲所淹沒,而無法進(jìn)行處理。當(dāng)EMI噪聲影響到數(shù)字電路時(shí),會(huì)引起邏輯關(guān)系出錯(cuò),導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。
對(duì)于電源設(shè)備來說,其內(nèi)部除了功率變換電路以外,還有驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路、輸入輸出電平檢測(cè)電路等,電路相當(dāng)復(fù)雜。這些電路主要由通用或?qū)S眉呻娐窐?gòu)成,當(dāng)受電磁干擾而發(fā)生誤動(dòng)作時(shí),會(huì)使電源停止工作,導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常工作。
采用電網(wǎng)噪聲濾波器可有效地防止電源因外來電磁噪聲干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。
另外,從電源輸入端進(jìn)入的EMI噪聲,其一部分可出現(xiàn)在電源的輸出端,它在電源的負(fù)載電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,成為電路產(chǎn)生誤動(dòng)作或干擾電路中傳輸信號(hào)的原因。這些問題同樣也可用噪聲濾波器來加以防止。
在電源設(shè)備中采用噪聲濾波器的作用如下:
(1)防止外來電磁噪聲干擾電源設(shè)備本身控制電路的工作;
(2)防止外來電磁噪聲干擾電源的負(fù)載的工作;
(3)抑制電源設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI;
(4)抑制由其它設(shè)備產(chǎn)生而經(jīng)過電源傳播的EMI。
開關(guān)電源本身在工作時(shí)以及電子設(shè)備處于開關(guān)工作狀態(tài)時(shí),都會(huì)在電源設(shè)備的輸入端出現(xiàn)終端噪聲,產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾,也會(huì)進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它的電子設(shè)備,所以必須采取有效措施加以抑制。
在抑制EMI噪聲的輻射干擾方面,電磁屏蔽是最好的方式。而在抑制EMI噪聲的傳導(dǎo)干擾方面,采用EMI濾波器是很有效的手段,當(dāng)然應(yīng)配合良好的接地措施。
在國際上各個(gè)國家都實(shí)行了嚴(yán)格的電磁噪聲限制規(guī)則,如美國有FCC,德國有FTZ,VDE等標(biāo)準(zhǔn)。如電子設(shè)備不滿足噪聲限制規(guī)則,則產(chǎn)品就不能出售和使用。
由于上述種種原因,在電源設(shè)備中必須要設(shè)計(jì)使用滿足要求的電網(wǎng)噪聲濾波器。
EMI噪聲和濾波器的類型
在電源設(shè)備輸入引線上存在二種EMI噪聲:共模噪聲和差模噪聲,如圖1所示。
把在交流輸入引線與地之間存在的EMI噪聲叫作其共模噪聲,它可看作為在交流輸入線上傳輸?shù)碾娢幌嗟取⑾辔幌嗤母蓴_信號(hào),即圖1的電壓V1 和V2。
而把交流輸入引線之間存在的EMI噪聲叫作差模噪聲,它可看作為在交流輸入線傳輸?shù)南辔徊?80°的干擾信號(hào),即圖1中的電壓V3。
共模噪聲是從交流輸入線流入大地的干擾電流,差模噪聲是在交流輸入線之間流動(dòng)的干擾電流。
對(duì)任何電源輸入線上的傳導(dǎo)EMI噪聲,都可以用共模和差模噪聲來表示,并且可把這二種EMI噪聲看作獨(dú)立的EMI源來分別抑制。
在對(duì)電磁干擾噪聲采取抑制措施時(shí),主要應(yīng)考慮抑制共模噪聲,因?yàn)楣材T肼曉谌l域特別在高頻域占主要部分,而在低頻域差模噪聲占比例較大,所以應(yīng)根據(jù)EMI噪聲的這個(gè)特點(diǎn)來選擇適當(dāng)?shù)腅MI濾波器。
電源用噪聲濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。