EMC濾波器通常是指低通濾波器,是由電容、電感等無源元件構成的雙向迴路,利用阻抗匹配原理抑制電源線上的干擾,其濾波範圍通常在150kHz-30MHz之間,主要用來濾除導線上的電磁干擾,可將雜訊信號衰減到一定的準位,使設備輸出的雜訊滿足國際上相關規範的要求,或使進入設備的雜訊不足以影響設備產生故障。EMC濾波器的設計方式是讓電源頻率以極低的衰減流通,同時衰減較高頻率的電磁雜訊,使設備輸出的雜訊滿足相關規範的要求,或使進入設備的雜訊不足以使設備產生故障或誤動作。若濾波器中是使用損耗性元件,如電阻器或鐵氧體元件,則雜訊能量被吸收並在濾波器中被耗散,若是使用純電抗性元件,則能量被反射回到電源,在系統其他的某些地方耗散。
低通濾波器的頻率特性如圖一所示。在EMC濾波器中,主要影響濾波器性能的有截止頻率和插入損失兩個參數,對於插入損失又可分為共模插入損失和差模插入損失兩種,插入損失越大表示該濾波器對干擾的抑制能力越強。
低通濾波器的典型電路如圖二所示,其基本原理是利用電容的阻抗值隨著頻率上升而減小,電感的阻抗隨著頻率上升而增加的特性,將電容器並聯在電源線對線之間(濾除差模干擾電流)或電源線對地之間(濾除共模干擾電流),從而將高頻干擾信號旁路掉,另將電感器串聯在電源線上,對干擾電流產生阻擋和損失的作用。
EMC濾波器主要技術參數說明
1. 插入損耗
插入損耗是衡量濾波器濾波效果的指標,通常以分貝數或頻率特性曲線來表示。它是指濾波器接入線路前後,電源傳給負載的功率比或端口電壓比。
IL=10lg Po/P2(dB) 或 IL=20lg Vo/V2(dB)
Po、P2、Vo、V2分別表示濾波器接入前後負載端的功率和電壓。實驗室測量一般在50/50Ω系統下進行。
2. 最大洩漏電流
洩漏電流是指濾波器相線、中線對地(外殼)在250VAC、50Hz下流過的最大電流。為保證安全,對不同類型、不同應用場合的濾波器,此項指標有不同規定。
3. 絕緣電阻
絕緣電阻是指濾波器相線、中線對地之間的阻值。通常用絕緣電阻表測試。
4. 試驗電壓
試驗電壓指濾波器線至線、線至地間的抗電電壓。試驗時間為1分鐘。濾波器不出現閃火、擊穿、損壞及性能下降等現象。
電源網路上的干擾電流依其流動的路徑,可區分為兩種典型的主要模式,即共模干擾電流和差模干擾電流兩種。
共模干擾電流
共模干擾電流著眼於接地參考點的選擇,同時出現在所有導體上,共模雜訊的電壓和電流皆為同相,且電流經由其他路徑流回,通常是設備安裝後的金屬部件及其他部件上的接地零件。
從電源網路的觀點來看,以單相電源為例,共模雜訊電壓同相出現在相關於接地參考點設備電源纜線的所有三條導線上(火線、中性線及接地線),在三相電源網路,雜訊出現在相關於接地參考點設備電源纜線的所有五條導線上(三相導線、中性線及接地線)。
當設備有接地的電氣箱、機殼或框架,共模雜訊將出現在相關電氣箱、機殼或框架的相導體上。
在電源網路中共模雜訊通常出現的頻域頻率超過1MHz以上(非常接近),並且通常有一個高電源阻抗,共模雜訊的產生大部份來自於雜散電容、共阻抗(通常起因於有瑕疵的接地系統)及自輻射場耦合至電纜線的雜訊。
差模干擾電流
差模雜訊出現在任何兩條導線之間,它的電流延著一條導線以一個方向流動,並經由另一條導線流回。伴隨著此雜訊模式的電壓電流,在兩條導線上都是反相。在單相電源的情況,從設備電源網路的觀點,差模雜訊電壓出現在設備電源纜線的所有三對導線相之間(火線-中性線、中性線-地線、火線-地線)。在電源網路中差模雜訊通常出現的頻域頻率低於1MHz(非常接近),且一般為低電源阻抗。它的出現大部份來自於元件突然改變的電流,如整流器或其他型式的切換式電力裝置。
任何濾波器必須允許基本的電源頻率在沒有太大的阻抗下流通,而只衰減不要的共模與差模雜訊。濾波器的電路設計是非常重要的,並且知道它的原理將是非常有幫助的。
典型的EMC濾波器設計,經濟型可衰減共模及差模雜訊,單相使用,典型的單階電路如下圖所示:
濾波器安裝要點
安裝位置
通常濾波器安裝位置儘可能靠近供應電源進入電氣箱的點,無論如何,複雜的配置,當控制電路與電力電路交錯時,則濾波器必須安裝靠近干擾源一側,有時一台設備可能有自己特殊的濾波器,以變頻驅動器為例,此狀況之濾波器必須緊鄰變頻器或在其下安裝。
配線路徑
一個正確運作的濾波器可被錯誤的配線方式影響波及,外部輸入與輸出電纜之間必須有最大的隔離,內部濾波器與外部電纜之間亦同,否則交錯的耦合會產生。
接地
濾波器能否正確運作依賴良好的接地,接地導體必須儘可能的短且具有極低的電感,理想的方法使用無漆的框架做為參考面及具有金屬對金屬的接觸,在多點與濾波器外殼之間,也是非常重要避免任何接地導體迴路,較好的方法是以星型架構接地,使用中央接地螺絲焊接至框架。
對地洩漏電流
對地洩漏電流是由Y電容產生的電流在濾波器內部連同雜散電容連接到地,此電流是濾波器當提供抑制時重要的特性,有許多情況洩漏電流必須限制,如人員安全、電路具有對地漏電流跳脫及IT電源網路。
典型的值為0.75mA或3.5mA,無論如何,固定式設備、永久的配線,可被允許到5%的相電流(提供適當的警告標誌是必要的)。當許多濾波器一同使用,對地洩漏電流可能累積到無法接受的危險程度,濾波器安裝之後必須檢查確認可能的洩漏電流反應是否符合當地法令。
使用濾波器在比額定標籤較高頻率的電源時也是同樣危險。
電流額定
通常濾波器設計的操作溫度範圍不超過85℃,當有較高的環境溫度及連續電流流過,容許足夠的空間距離是重要的,至少提供濾波器通風孔上方6cm的空氣循環空間,並須安裝正確的方向,提供良好的空氣流通。