EMI滤波器的防护设计.ppt

EMI滤波器的防护设计,滤波器,电源滤波器信号滤波器,电源线上既有mV级骚扰电压,也有数百,上千伏瞬态骚扰(其中,浪涌,电快速瞬变脉冲群占88.5%,电压跌落占11%,电压中断占0.5%),特别是对敏感设备,会造成直接影响.是45%计算机丢失数据和发生故障的主要原因.电子设备含有CPU,开关电源,可控硅,变频调速,马达,继电器等时,也会对外界产生骚扰,电源线滤波器,电源滤波器是由电感、电容和电阻构成，允许直流或50Hz的电流通过，对频率较高的干扰信号有较大衰减，即低通高阻。一般选用实用滤波器主要从三个方面考虑：电流/电压、插入损耗、结构尺寸。,电源滤波器的原理,切断干扰沿电源线或信号线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的辐射和干扰防护。,滤波器的作用,共模电感,差模电容,共模电容,电源滤波器的基本电路,截止频率 插入损耗 额定工作电压、电流 环境特性体积、重量漏电流,电源滤波器的主要指标,滤波器的截止频率,截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能性信号的带宽，保证设备的正常工作，同时最大限度的衰减干扰信号,EMI电源滤波器插入损耗的计算方法,插入损耗的定义 经典的滤波器理论是以插入衰减理论为基础的滤波器设计方法，如转移函数表示一个端口的电压（电流）和另一端口的电压（或电流）之间的关系，以电压转移函数为例,当输出端开路时，电压转移函数定义为:电压增益=V0(s)/VIN(s)电压衰减=VIN(s)/V0(s)但EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I.L（Insertion Loss）来衡量。插入损耗定义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示。,如我们采用A参数表示滤波器网络，A参数矩阵为：则所以EMI滤波器插入损耗和插入衰减的定义不同不能直接照搬,为此EMI滤波器的插入损耗需要重新推导。,低频差模插入损耗的推导,单环差模插入损耗双环差模插入损耗,插入损耗的原理图,电源滤波器一般常用的典型电路 从以上对开关电源干扰的分析和实测的结果，都说明开关电源的干扰频率和频域要比工频电源的频率50Hz400Hz高得多和宽得多。因此，作为抑制干扰的电源滤波器应该是一个性能优良的低通滤波器，它只让工频通过，要抑制除工频外的一切无用或有害干扰频率，由于电路近似对称所以又具有双向抑制功能。根据抑制干扰的能力又分为一般性能和高性能两种电源滤波器。,IL=20lg(v1/v2),滤波器,V1,V2,同轴电缆,同轴电缆,同轴电缆,滤波器的插入损耗,滤波器插入损耗曲测试线,增加差模扼流圈后的效果,插入损耗的测量方法,MIL-STD-220A或CISPR17出版物4.1提出的滤波器标准测量方法：1.共模插入损耗的典型测量方法根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50上的电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后，负载50上的电压V2，通过频谱分析仪将20log(V1/V2)随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来。注意测量时，滤波器的输入端和输出端是并联的。目的是取得共模插入损耗的平均值，同时也减少了测量次数。,0.1/100及100/0.1阻抗测量方法,上述测量方法又称为50系统测量方法，即源和负载阻抗均在50匹配的条件下测量，是目前许多滤波器制造商传统沿用的测量方法。在实际情况，由于源阻抗和负载阻抗（设备的阻抗）不可能是恒定的50，所以实际获得的滤波器插入损耗特性与用50系统测量获得的滤波器插入损耗特性不会相同。为此，CISPR出版物部分提出一种近似的方法，即0.1/100及100/0.1系统测量方法。见图5.59。,Ly=0.3-38 mH，Cy 0.1F 漏电流 3.5 mA Lx=几十-几百H Cx 0.1 F,IL(dB)=20log(1+ZsZ1/Zt(Zs+Zl),IL（dB)=20log(1+100X600/0.08(100+600)=20log1072=61dB,IL（dB)=20log(E1/E2),实际滤波器特性,理想滤波器特性,dB,f Hz,电源线滤波器的特性,低通滤波器类型,单电感型滤波器,单电容型滤波器,ZC,实际电容,理想电容,f,引线长1.6mm的陶瓷电容器,1/2 LC,C,L,插入损耗,3dB,L、C数值决定,频率,L、C个数决定,截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！,影响滤波器特性的参数,影响滤波器体积的主要因素：电感量、结构是否紧凑,体积小的滤波器：截止频率高，低频特性差高频特性差,截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！,选择适当的截止频率,不能单纯追求滤波器体积小,插入损耗,频率,这个干扰始终不能滤掉,并非级数越多性能越好,器件距离对高频性能的影响,共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵消，因此磁心不会饱和。,防止磁心饱和的方法,电源线滤波器的特性,损耗,频率,理想滤波器特性,实际滤波器特性,一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。,30MHz,越来越受到关注,电子设备,共模干扰电流,差模干扰电流,干扰电流的种类,国际耐压规范,共模耐压德国VDE0565.2 高压测试(AC)P，NE 1.5kV/50Hz 1分钟瑞士SEV1055 高压测试（AC）P，NE 2Un+1.5kV/50Hz 1分钟美国UL1283 高压测试（AC）P，NE 1kV/60Hz 1分钟其中瑞士SEV105规范要求最高为 2KV/50Hz 1分钟差模耐压德国VDE0565.1 高压测试（DC）PN 4.3UnkV 1分钟瑞士 SEV1055 高压测试（DC）PN 4.3UnkV 1分钟美国UL1283 高压测试（DC）PN 1.414kV 1分钟 其中美国UL1283规范要求最高为 1.41KV/50Hz 1分钟PN耐压测试采用直流电压的原因是因为Cx容量较大，如果采用交流测试则要求耐压测试仪的电流容量很大，造成成本高，体积大。采用直流电压测试就不存在这种问题。,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。如工作电压为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（Leakage Current）要尽可能地小，否则将危及人身安全。,这里要说明的是：1)泄漏电流直接和电网电压、电网频率成正比。2)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。3)三相滤波器的泄漏电流应是各相泄漏电流之和。,国际上泄漏电流的安全规范,射频干扰滤波器,单路馈通滤波器,线路板安装形式,面板安装形式（馈通式安装）,底板安装形式,双路滤波器,多路滤波器,大电流馈通滤波器,小型馈通滤波器,高性能交流滤波器,高性能直流滤波器,圆形多路滤波器,D型滤波连接器,单相交流滤波器,三相交流滤波器,交流馈通滤波器,电磁干扰滤波器的型谱,传导发射,传导发射的对策,EMI滤波器的正确选择和使用,选择滤波器时,应首先选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。EMI源滤波器是以工频为导通对象的低通滤波器，是在不匹配的条件下工作的，因为在实际应用中无法实现匹配。如滤波器输入端阻抗Rs电网阻抗是随着用电量的大小变化的；而滤波器输出端的阻抗RL是随电源负载的大小变化的，要想获得理想的抑制效果，应遵循以下的连接规律。理由是显而易见的，这种连接方式无论从输入端或输出端进入滤波器的电磁噪声均能在滤波器内获得最大的抑制。,失配的对应电路,或 RL小,或,R S,RL,大,大,RS 小,RL,大,或 RL小,或,大,R S,RS 小,按此原则如在实际运用中仍不够理想时，应分析原因：【原因之一】是对被防护设备的干扰源情况预计不足，特别是共模干扰、差模干扰谁重谁轻？因为频谱仪检测的是综合参数。但可作如下分析：,【原因之二】是由于滤波器的电感和电容元件都受其分布参数的影响，频率愈高，所受的影响愈大。在实际生产过程中，如果装配工艺不严格，或者电感、电容元件离额定值的偏差过大，则产品插入损耗离产品说明书的插入损耗值就大，也会造成实际效果不够理想。【原因之三】是发生在重载和满载的情况。造成的主要原由可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时，产生磁饱和现象，致使电感量迅速下降，导致插入损耗性能大大变坏。其中尤以有差模电感的滤波器为多。,PCB,滤波器,输入线较长,PCB,滤波器,输入、输出线耦合,电源滤波器的错误安装1,接地不良时滤波效果变差,I,电源滤波器的错误安装2,PCB,滤波器,滤波效果最佳,1 输入线尽量短2 输入、输出线隔离3 接地良好,电源滤波器的正确安装,正确的安装方法,1.为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），滤波器除一定要安装在设备的机架或机壳上外，为了尽量缩短滤波器的接地线，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，见图5.79所示。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构成地电流回路，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，导致滤波器高频衰减特性变坏。所以金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。,2.滤波器要安装在设备电源线的输入端，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，输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分，见图5.80。4.要将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同一个机架内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接滤波器，否则在机架内这些单元中的每一单元的干扰都会传导给其他单元，见图5.81。,EMI滤波器设计使用实例,EMI滤波器设计使用实例,EMI滤波器设计使用实例,EMC测试结果举例,开关电源DC/DC模块测试结果；图中明显看出开关频率（580kHz）的基波和各次谐波。,EMC测试结果举例,电源线传导骚扰抑制 开关电源必须加电源滤波器。它的主要作用是抑制5MHz开关电源所产生的高次谐波。电源线上加铁氧体磁环。一方面可抑制电源线内的高频共模传导骚扰；另外一方面，能减小通过视盘机电源线辐射出去的骚扰能量。设计解码板时应注意:1.电源线尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积。2.时钟线、信号线也尽可能靠近地线，并且走线不要过长，以减小回路的环面积。3.高速逻辑电路应靠近连接器边缘，低速逻辑电路和存储器则应布置在远离连接器处，中速逻辑电路则布置在高速逻辑电路和低速逻辑电路之间。4.电路板上的印制线宽度不要突变，拐角应采用圆弧形，不要直角或尖角。5.对CMOS逻辑器件一般要安装一个1000pF的去耦电容，其位置尽可能地靠近并联在器件的电源和接地管脚。6.采用多层板，如四层板。由于多层板具有极低的分布源阻抗，更能避免共阻抗耦合，且提供屏蔽。7.板上和机壳的接地不能用细的导线，接地导线要短而粗，最好用铜柱。,DC/DC,滤波器,滤波器,保证通过CE102,减小电源纹波,即使没有DC-DC模块，直流输入滤波器对于电路也是必要的,线路板安装方式滤波器的用途,关于提高匝数 在高频情况下，一般性能电源滤波器的共模等效电路可表示为。,共模扼流圈分布电容对插入损耗的影响，可用上图(a)、(b)表示。(a)表示线圈匝间的分布电容和高频噪声从分布电容通过的情况。(b)表示共模扼流圈在同一电感值下，它的插入损耗与频率特性随分布电容(大小)的影响。分布电容为零，插入损耗频响最好呈线性，分布电容愈大，插入损耗的频响愈差。,左 图表示共模扼流圈插入损耗与频率特性受不同电感值的影响,在100kHz时、电感值愈大插入损耗愈大，在100kHz后情况相反、电感值愈大插入损耗反倒略小,这就是线圈受匝间和层间分布电容的影响。右图表示SF扼流圈，用同一磁芯同一线径导线绕制不同匝数的线圈时，它们的阻抗与频率特性受不同匝数的影响。因此，某一频段要获得最大的插入损耗就应该选用最佳的匝数。,关于磁材和电感的阻抗,电感中的损耗R，既与磁材的涡流损耗、滞磁损耗、剰余损耗等有关，也与頻率有关。这些损耗会变成热能散发空间。由图中所示的阻抗曲线看到fc附近R迅速增加，说明磁材吸收了电感中的高频能量并转换为磁材的内部损耗，是利用磁材吸收能量的过程。f2是电感的分布参数满足了谐振条件，但峰值的高低与磁材性能基本无关。,差模扼流圈,高性能EMI滤波器为了提高差模噪声的抑制性能，往往采取差模扼流圈与CX电容组成L、T、等滤波电路。差模扼流圈与共模扼流圈的最大区别在于差模扼流圈与负载直接串联，当通过差模扼流圈的电流过大时，会产生磁饱和现象，电感量随之下降，下降的速度取决软磁材料的B（H）和（H）特性曲线，所以对磁材的选择尤为重要。差模扼流圈采用单个绕组结构。,软磁材料主要有铁粉芯（IRON）、铁镍50（HF）、铁镍钼（MPP）即钼坡莫合金、铁硅铝（MS）、非晶、超微晶、硅钢等。铁镍钼可提供最大的Q值和最低的磁芯损耗、对温度和对交流磁通变化最稳定，是制作差模电感、整流滤波电感的最佳材料，但价格较贵。铁镍50具有15000Gs饱和磁通密度，磁芯损耗比铁粉芯低得多，应用大电流场合可有效减小电感尺寸。铁硅铝的能量贮存容量比铁镍钼还高，直流偏磁性能和损耗比铁粉芯好。铁粉芯的饱和磁通超过10000GS，直流偏磁性能较好、价格最低，可供选择的规格多，目前应用最普遍，特别是设计得当的话,它的作用是滤除导线积各种工作所不需要的高频干扰成份。信号滤波器按安装方式和外形分，有线路板安装滤波器、贯通滤波器和连接器滤波器等三种,信号滤波器,任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果，对这导线，必须采取滤波措施。信号滤波器共模滤波为主，这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式的，而对信号电缆上传输的差模信号，希望不产生任何影响。,信号滤波器特点,滤波性能:滤波连接器的滤波性能是选用滤波连接器时的关键指标，滤波器的截止频率必须高于电缆上要传输的信号频率；滤波器3dB插入损耗所对应的频率为截止频率。订购产品时用滤波代码来表征滤波特性。根据具体情况，可以用三种方法确定截止频率：模拟信号：信号的频率要低于截止频率。脉冲信号：若上升/下降时间为tr，则1/tr 小于截止频率。脉冲信号：若脉冲信号的重复频率是f，则15f小于截止频率。,6.1滤波器构造 反射式低通滤波器6.2滤波器元件 三端电容器 馈通滤波器 去耦电容器 片状电容器6.3电源线滤波器6.3.1共模和差模骚扰信号6.3.2网络结构6.3.3插入损耗6.3.4按装方法6.4信号线滤波器,骚扰源阻抗,滤波器类型,负载阻抗,低,高,低,高,高,低,低,高,源负载阻抗与滤波器网络结构的选择,三端电容器的原理,引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器在引线上安装两个磁珠滤波效果更好,地线电感起着不良作用,三端电容的正确使用,接地点要求：1 干净地2 与机箱或其它较大 的金属件射频搭接,三端电容器的不足,寄生电容造成输入端、输出端耦合,接地电感造成旁路效果下降,穿心电容更胜一筹,金属板隔离输入输出端,一周接地电感很小,穿心电容的插入损耗,插入损耗,频率,1GHz,普通电容,理想电容,穿心电容,线路板上使用馈通滤波器,线路板地线面,上面,底面,穿心电容、馈通滤波器,以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波,滤波器高频性能差,滤波器高频性能好,无滤波,高频滤波性能的重要性,辐射发射,辐射发射测量,电源滤波器,屏蔽机箱,信号滤波器,辐射发射的对策,电源线上的对策,在电源线入口处安装高频性能良好的滤波器,信号电缆对策一,平衡电路：,V=0,信号电缆对策二,屏蔽电缆：,信号电缆对策三,信号电缆对策四,信号滤波器:允许有用信号无衰减通过,同时大大衰减电磁骚扰.电源滤波器:允许直流,50Hz,400Hz等的电源功率无衰减通过,同时大大衰减经电源传入的电磁骚扰,保护设备免受其害.同时,抑制设备产生的电磁骚扰,防止进入电网,其额定电压高,额定电流大,并且要能够承受瞬时大电流的冲击,在使用中必须考虑源端及负载端的端接阻抗对滤波性能的影响,还必须结合接地技术与屏蔽措施,才能达到良好的抑制效果.,三端电容的正确使用,接地点要求：1 干净地2 与机箱或其它较大 的金属件射频搭接,电磁兼容性设计特点,与传统设计不同,电磁兼容性设 计的手段方法和指标要求并不具有明确的数值关系.有时经验和试验比理论分析更具有价值.,谢谢大家，欢迎指导！,