EMC滤波器通常是指低通滤波器,是由电容、电感等无源元件构成的双向迴路,利用阻抗匹配原理抑制电源线上的干扰,其滤波范围通常在150kHz-30MHz之间,主要用来滤除导线上的电磁干扰,可将杂讯信号衰减到一定的准位,使设备输出的杂讯满足国际上相关规范的要求,或使进入设备的杂讯不足以影响设备产生故障。EMC滤波器的设计方式是让电源频率以极低的衰减流通,同时衰减较高频率的电磁杂讯,使设备输出的杂讯满足相关规范的要求,或使进入设备的杂讯不足以使设备产生故障或误动作。若滤波器中是使用损耗性元件,如电阻器或铁氧体元件,则杂讯能量被吸收并在滤波器中被耗散,若是使用纯电抗性元件,则能量被反射回到电源,在系统其他的某些地方耗散。
低通滤波器的频率特性如图一所示。在EMC滤波器中,主要影响滤波器性能的有截止频率和插入损失两个参数,对于插入损失又可分为共模插入损失和差模插入损失两种,插入损失越大表示该滤波器对干扰的抑制能力越强。
低通滤波器的典型电路如图二所示,其基本原理是利用电容的阻抗值随着频率上升而减小,电感的阻抗随着频率上升而增加的特性,将电容器并联在电源线对线之间(滤除差模干扰电流)或电源线对地之间(滤除共模干扰电流),从而将高频干扰信号旁路掉,另将电感器串联在电源线上,对干扰电流产生阻挡和损失的作用。
EMC滤波器主要技术参数说明
1. 插入损耗
插入损耗是衡量滤波器滤波效果的指标,通常以分贝数或频率特性曲线来表示。它是指滤波器接入线路前后,电源传给负载的功率比或端口电压比。
IL=10lg Po/P2(dB) 或 IL=20lg Vo/V2(dB)
Po、P2、Vo、V2分别表示滤波器接入前后负载端的功率和电压。实验室测量一般在50/50Ω系统下进行。
2. 最大洩漏电流
洩漏电流是指滤波器相线、中线对地(外壳)在250VAC、50Hz下流过的最大电流。为保证安全,对不同类型、不同应用场合的滤波器,此项指标有不同规定。
3. 绝缘电阻
绝缘电阻是指滤波器相线、中线对地之间的阻值。通常用绝缘电阻表测试。
4. 试验电压
试验电压指滤波器线至线、线至地间的抗电电压。试验时间为1分钟。滤波器不出现闪火、击穿、损坏及性能下降等现象。
电源网路上的干扰电流依其流动的路径,可区分为两种典型的主要模式,即共模干扰电流和差模干扰电流两种。
共模干扰电流
共模干扰电流着眼于接地参考点的选择,同时出现在所有导体上,共模杂讯的电压和电流皆为同相,且电流经由其他路径流回,通常是设备安装后的金属部件及其他部件上的接地零件。
从电源网路的观点来看,以单相电源为例,共模杂讯电压同相出现在相关于接地参考点设备电源缆线的所有三条导线上(火线、中性线及接地线),在三相电源网路,杂讯出现在相关于接地参考点设备电源缆线的所有五条导线上(三相导线、中性线及接地线)。
当设备有接地的电气箱、机壳或框架,共模杂讯将出现在相关电气箱、机壳或框架的相导体上。
在电源网路中共模杂讯通常出现的频域频率超过1MHz以上(非常接近),并且通常有一个高电源阻抗,共模杂讯的产生大部份来自于杂散电容、共阻抗(通常起因于有瑕疵的接地系统)及自辐射场耦合至电缆线的杂讯。
差模干扰电流
差模杂讯出现在任何两条导线之间,它的电流延着一条导线以一个方向流动,并经由另一条导线流回。伴随着此杂讯模式的电压电流,在两条导线上都是反相。在单相电源的情况,从设备电源网路的观点,差模杂讯电压出现在设备电源缆线的所有三对导线相之间(火线-中性线、中性线-地线、火线-地线)。在电源网路中差模杂讯通常出现的频域频率低于1MHz(非常接近),且一般为低电源阻抗。它的出现大部份来自于元件突然改变的电流,如整流器或其他型式的切换式电力装置。
任何滤波器必须允许基本的电源频率在没有太大的阻抗下流通,而只衰减不要的共模与差模杂讯。滤波器的电路设计是非常重要的,并且知道它的原理将是非常有帮助的。
典型的EMC滤波器设计,经济型可衰减共模及差模杂讯,单相使用,典型的单阶电路如下图所示:
滤波器安装要点
安装位置
通常滤波器安装位置尽可能靠近供应电源进入电气箱的点,无论如何,复杂的配置,当控制电路与电力电路交错时,则滤波器必须安装靠近干扰源一侧,有时一台设备可能有自己特殊的滤波器,以变频驱动器为例,此状况之滤波器必须紧邻变频器或在其下安装。
配线路径
一个正确运作的滤波器可被错误的配线方式影响波及,外部输入与输出电缆之间必须有最大的隔离,内部滤波器与外部电缆之间亦同,否则交错的耦合会产生。
接地
滤波器能否正确运作依赖良好的接地,接地导体必须尽可能的短且具有极低的电感,理想的方法使用无漆的框架做为参考面及具有金属对金属的接触,在多点与滤波器外壳之间,也是非常重要避免任何接地导体迴路,较好的方法是以星型架构接地,使用中央接地螺丝焊接至框架。
对地洩漏电流
对地洩漏电流是由Y电容产生的电流在滤波器内部连同杂散电容连接到地,此电流是滤波器当提供抑制时重要的特性,有许多情况洩漏电流必须限制,如人员安全、电路具有对地漏电流跳脱及IT电源网路。
典型的值为0.75mA或3.5mA,无论如何,固定式设备、永久的配线,可被允许到5%的相电流(提供适当的警告标志是必要的)。当许多滤波器一同使用,对地洩漏电流可能累积到无法接受的危险程度,滤波器安装之后必须检查确认可能的洩漏电流反应是否符合当地法令。
使用滤波器在比额定标籤较高频率的电源时也是同样危险。
电流额定
通常滤波器设计的操作温度范围不超过85℃,当有较高的环境温度及连续电流流过,容许足够的空间距离是重要的,至少提供滤波器通风孔上方6cm的空气循环空间,并须安装正确的方向,提供良好的空气流通。