如何选择EMI电源滤波器

2019年8月6日 作者:Ron Stull

如何选择EMI电源滤波器

开关模式电源遇到电磁辐射(EMI)时必然会发出噪声。高电压和高电流节点的快速切换在电路中产生了相对较大的di/dt和dv/dt值,导致在很大的频率范围内发出噪声。大多数国家的监管机构都限制可以发射的电磁噪声量。结果,需要花费大量的时间和精力来减少噪声源并滤除任何残留的噪声。然而,虽然这些电源会在单独测试时符合规定,但将它们添加到系统中后仍可能产生多余的电磁辐射,需要额外过滤才能取得监管部门的批准。如果选择正确,现成的EMI滤波器会是一种改善辐射并符合法规的简便方法。

EMI和电磁兼容性背景

处理电磁兼容性(EMC)的问题时,通常通过三个组成部分建模:噪声源、路径和受体。

噪声源是产生干扰的设备或电路节点。除了电源本身,噪声源可能还包括微处理器、视频驱动器、射频发生器等其他设备。

噪声源产生的噪声随后可通过两条路径传输。第一条是辐射路径,电磁能量借此传播到空间并连接到其他系统。第二条是传导路径,信号借此通过系统的导体(例如PCB走线和电平、元件引线、输入接线等)。该路径可以回到主电源线并影响接受该线路供电的其他设备。

受体是接收噪声源发出的噪声并受干扰影响的设备。受体几乎可以包括所有模拟和数字电路。

测试EMC时,监管机构将分别测试传导和辐射的电磁辐射。每种辐射都有自己的限值和频率范围以及抑制方法。辐射的电磁辐射覆盖更高的频率范围(通常为30 MHz至1,000 MHz),并且在噪声通过空间传播时,其控制方式可能会受到限制。除了使用适当的布局和电路设计技术来衰减噪声源处的噪声之外,还可以使用屏蔽来抑制辐射噪声。另一方面,传导的电磁辐射覆盖较低的频率范围(通常为0.15 Mhz至30 Mhz),而且因为他们穿过导体,所以可使用电气滤波组件加以控制。设计师在添加EMI滤波器时,可以选择自行设计滤波器,也可以选择使用现成的EMI滤波器。

EMI滤波器和系统要求

选择现成的EMI滤波器的工程师,在如何为系统选择正确的滤波器方面可能会有一些困惑。第一步是确保EMI滤波器符合基本电气要求。要评审的重要项目包括:

  • 额定电压,就是可应用于输入的最大电压。超过该值就会损坏滤波器内部的组件。
  • 隔离电压,就是在每条输入线和地线/机架接地之间测量的隔离额定值(输入和输出之间没有隔离)。
  • 额定电流,就是在指定工作温度范围内通过EMI滤波器的最大电流。
  • 工作温度,就是设备能够运行的最大温度。
  • 漏电电流,就是流过地线/机架接地的电流。除了电源本身的漏电电流之外,EMI滤波器也会产生漏电电流。出于安全考虑,漏电电流具有监管限制,并且设计者应考虑滤波器漏电的影响。

EMI电源滤波器示例电路
内部滤波器电路示例

EMI滤波特性

找到符合系统工作条件的EMI滤波器后,应评审实际滤波特性。数据表中通常会有插入损耗图,一张展示共模损耗,一张展示差模损耗。这些图表为用户展示信号频率在输入和输出之间的衰减程度。

插入损耗是滤波器输入和输出之间因覆盖的频率范围巨大而产生的信号比率,通常以分贝测量,表示为以下等式。

插入损耗(dB) = 20Log 10(未过滤信号/已过滤信号)

可利用除法规则重写该等式,求解已过滤的信号。

已过滤信号(dB) = 未过滤信号(dB) - 插入损耗(dB)

共模和差模插入损耗示例图 共模和差模插入损耗示例图
插入损耗图

有时不会给出图表,而是在数据表中列出噪声衰减值。这通常与衰减适用的频率范围匹配。例如,数据表可能会指定150 kHz和1 GHz之间的30 dB衰减。

查看滤波器数据时要注意的最后一项是噪声源和负载阻抗会改变滤波器的行为。数据表中给出的插入损耗是使用阻抗(通常为50 Ω)求得的,该阻抗可能与其应用的系统的阻抗有很大不同。所以,数据表展示的滤波器可能看起来很好,但是务必要测试电路中的滤波器以验证其在终端系统的实际噪声源和负载条件下的性能。

EMI滤波器的选择

选择EMI滤波器时,最好针对要滤波的电源进行初步EMC测试以获得传导辐射的基准值。测试结果将会告诉设计师设备的故障频率和故障程度。可以将这些信息与EMI滤波器的插入损耗图进行比较,以确定它能否在故障频率下提供足够的衰减,帮助通过EMC测试。例如,参考下方EMI滤波器的共模插入损耗图,显示在500 kHz时的衰减水平约为-75 dB,判断共模辐射测试在500 kHz时得出64 dB的值是否表示测试失败。如果应用此EMI滤波器,预计能够凭借在500 kHz时的11 dB余量通过EMC测试。

应用EMI电源滤波器前后的辐射趋势图以及滤波器的插入损耗图示例 应用EMI电源滤波器前后的辐射趋势图以及滤波器的插入损耗图示例
应用滤波器前后的EMI趋势图(上图)和EMI滤波器的插入损耗图(下图)示例

由于频谱上的衰减不一致,因此必须确保所有故障或余量频率都能得到妥善衰减。如果数据表提供单个衰减值而不是插入损耗图,则务必要确保这一单个值大于最大故障余量。

结论

开关电源是电磁辐射(EMI)的主要来源,因而对其进行调节是预防干扰其他电子设备的关键所在。大多数(如果不是全部)开关电源都会在输入端设置滤波器,但由于它们应用范围广泛,所以在用于整个系统时,就不总能保证足以通过最终的EMC测试。现成的EMI滤波器是一种在内部滤波器不够时协助快速简便地减少电磁辐射的方法,并且相比从头开始设计一套单独的解决方案,这种方法更加节省时间。CUI在板上安装、机架安装和DIN导轨配置中提供多种ac-dc EMI电源滤波器dc-dc EMI电源滤波器,这些滤波器可根据系统的电磁兼容性需求进行优化。

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Ron Stull

Ron Stull

电源系统工程师

Ron Stull自2009年加入CUI以来,在模拟和数字电源以及ac-dc和dc-dc功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用,其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余,Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行,他们的目标是游遍所有美国国家公园。

 
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