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电源EMI滤波器设计方法:

1.确定fcn的一般方法:
      扼流圈截止频率fen要根据电磁兼容性设计要求确定。对于骚扰源,要求将骚扰电平降低到规定的范围;对于接收器,其接收品质体现在对噪声容限的要求上。对于一阶低通滤波器截止频率可按下式确定:
骚扰源:fcn=kT×(系统中低骚扰频率);接收机:fcn=kRX(电磁环境中低骚扰频率)。


      式中,kT、kR根据电磁兼容性要求确定,一般情况下取1/3或1/5。例如:电源噪声扼流圈或电源输出滤波器截止频率取fen=20~30kHz(当开关电源频率f一100kHz时);信号噪声扼流圈截止频率取fcn=10~30MHz(对传输速率为100Mbps的信息技术设备)。


      此外,对于输入电(dian)(dian)流(liu)有特殊波形的设备,例(li)如接有直接整(zheng)流(liu)一(yi)电(dian)(dian)容滤波的电(dian)(dian)源输入电(dian)(dian)路(未作功(gong)率(lv)因数(shu)校正(PFC)的开关电(dian)(dian)源和电(dian)(dian)子镇流(liu)器之类电(dian)(dian)器通常如此),要滤除2~40次电(dian)(dian)流(liu)谐波传导干(gan)扰,噪声扼流(liu)圈截止频(pin)率(lv)fcn可能(neng)取得更低一(yi)些。例(li)如,美国(guo)联邦通信(xin)委员(yuan)会(hui)(hui)(FCC)规(gui)定(ding)电(dian)(dian)磁干(gan)扰起始(shi)频(pin)率(lv)为300kHz;国(guo)际无线电(dian)(dian)干(gan)扰特别委员(yuan)会(hui)(hui)(CISPR)规(gui)定(ding)为150kHz;美国(guo)军标(biao)规(gui)定(ding)为10kHz。


2.噪声滤波器电路
      当扼流圈插入电路后,其提供的噪声抑制效果,不但取决于扼流圈阻抗ZF大小,也与扼流圈所在电路前后阻抗(即源阻抗和负载阻抗)有关。网络分析指出:在工作频率范围内,传输线输入输出阻抗匹配,可以大限度传输信号功率;对于噪声,J9九游会AG 自然会想到插入噪声滤波器,使其输入输出阻抗在噪声频率范围内失配,以大限度抑制噪声。


      因(yin)此,噪声(sheng)滤波(bo)(bo)器(qi)(qi)结构和构成元件的选择要(yao)由噪声(sheng)滤波(bo)(bo)器(qi)(qi)所(suo)在电路的源阻(zu)(zu)抗(kang)和负载(zai)阻(zu)(zu)抗(kang)而定。从(cong)这(zhei)个(ge)意义上说抗(kang)EMI滤波(bo)(bo)器(qi)(qi)实(shi)际(ji)上是噪声(sheng)失(shi)配滤波(bo)(bo)器(qi)(qi)。这(zhei)里,J9九游会AG 特(te)别提出噪声(sheng)失(shi)配概(gai)念(nian)有利(li)于(yu)对噪声(sheng)与噪声(sheng)滤波(bo)(bo)器(qi)(qi)相(xiang)互作(zuo)用的分(fen)析(见后面应用原理部分(fen))。

噪声滤波器基本电路

图1噪声滤波(bo)器(qi)基(ji)本电路

      噪(zao)声滤(lv)波器电路(lu)(lu)(lu)通常采用x形(xing)、T形(xing)、L形(xing)电路(lu)(lu)(lu)结构(gou)及他们(men)的(de)(de)组(zu)合等(deng),作成低通滤(lv)波器,基(ji)本(ben)电路(lu)(lu)(lu)结构(gou)形(xing)式如(ru)图1所示。一般来说,对于高频(pin)噪(zao)声,n形(xing)结构(gou)可以提供(gong)低的(de)(de)输(shu)入输(shu)出阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang),适于所在(zai)电路(lu)(lu)(lu)源(yuan)阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)和负载阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)高的(de)(de)场合;T形(xing)结构(gou)可以提供(gong)高的(de)(de)输(shu)入输(shu)出阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang),适于所在(zai)电路(lu)(lu)(lu)源(yuan)阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)和负载阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)低的(de)(de)场合;L形(xing)结构(gou)可以提供(gong)高输(shu)入阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)和低输(shu)出阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)(或者相(xiang)(xiang)反(fan)(fan)),适于所在(zai)电路(lu)(lu)(lu)低源(yuan)阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)和高负载阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)(kang)(kang)(kang)(或者相(xiang)(xiang)反(fan)(fan))场合。滤(lv)波器构(gou)成元件L、C值的(de)(de)确定要(yao)满足电路(lu)(lu)(lu)对噪(zao)声频(pin)率插入损(sun)耗要(yao)求,可按下式近似计算(suan):

L=Z/(2I×fc),C=1/(2n×fe×Z)


      Z为噪声扼流圈阻抗、滤波器输入或输出阻抗。应该指出,L、C值计算只能是近似的。因为对于频率高到100kHz及其谐波,电路分布参数已经不能忽略,噪声滤波器对噪声的抑制效果实际上往往由实验确定。为方便设计计算,下面给出一个实际电容的阻抗频率特性和引线电感计算方法。考虑到电容损耗和引线电感影响,实际电容等效电路和阻抗频率特性如图2所示。


引线电感由下式计算:
L=0.002/[ln(4l/d)-1]
式中,d为导线直径(cm),1为导线长度(cm),L为电感量(uH)。
例如,长度1=1cm的0.31mm导线,L=0.0077uH,当频率为1MHz时Z=0.0499;频率为100MHz时Z=4.99。当1=2cm时,L=0.0182uH,当频率为100MHz时,Z=11.44欧。

实际电容的串联等效电路

(a)

(b)


3.噪声滤波器应用原
      根据电磁兼容性要求选择、使用噪声滤波器的方法或程式不是唯一的。这要作为电磁兼容性设计过程的一部分,在电器设计、生产、调试中解决。尽管如此,在设计使用噪声滤波器之前,了解电磁骚扰传播方式、噪声频率范围和插入电路的电磁环境是有益的。


电磁骚扰的传播方式大致分两种:

      一种(zhong)是(shi)传导(dao)干(gan)(gan)扰(rao),另一种(zhong)是(shi)辐射干(gan)(gan)扰(rao)。用于改(gai)善电(dian)路噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)容限的板上型(xing)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)滤波(bo)器(qi)可设计在(zai)9kHz~1780MHz频(pin)率范围内(根据电(dian)磁(ci)兼容有关标准)某一频(pin)段下(xia)工作。大(da)体上可以认为(wei):噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)频(pin)率低段表现为(wei)传导(dao)干(gan)(gan)扰(rao)(骚扰(rao)),噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)滤波(bo)器(qi)主要靠(kao)扼流圈感抗提供(gong)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)抑(yi)制;在(zai)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)频(pin)率高端(duan),传导(dao)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)功率被(bei)扼流圈等效电(dian)阻吸收和分(fen)布电(dian)容旁路,这时,辐射骚扰(rao)成(cheng)为(wei)干(gan)(gan)扰(rao)的主要形(xing)式。


      辐射骚扰(rao)在(zai)附近元件(jian)、引(yin)线上感生噪(zao)(zao)声电(dian)(dian)流,严重时会引(yin)起电(dian)(dian)路自激,这在(zai)小型(xing)高密度电(dian)(dian)路元件(jian)组装情况下变(bian)得更加突出。抗EMI器件(jian)大都(dou)作为低通(tong)滤波器插入电(dian)(dian)路中抑(yi)(yi)制(zhi)(zhi)或(huo)吸收(shou)噪(zao)(zao)声干(gan)扰(rao)。可根据需要抑(yi)(yi)制(zhi)(zhi)的噪(zao)(zao)声频率,设计

或(huo)(huo)选择滤波器(qi)(qi)截止频(pin)率fcn。上面(mian)已(yi)经提及,噪(zao)声滤波器(qi)(qi)作为噪(zao)声失(shi)配(pei)器(qi)(qi)插入电路(lu)中。其(qi)作用(yong)是对高于信号频(pin)率的(de)(de)噪(zao)声严重失(shi)配(pei)。用(yong)噪(zao)声失(shi)配(pei)概念,滤波器(qi)(qi)的(de)(de)作用(yong)可以这样来(lai)理解:通过(guo)噪(zao)声滤波器(qi)(qi),噪(zao)声或(huo)(huo)因分压(衰减)降低(di)噪(zao)声输出电平;或(huo)(huo)因多次反射(she)吸收(shou)噪(zao)声功(gong)率;或(huo)(huo)因通道(dao)相位改变破坏寄生振荡条件,从而改善了电路(lu)的(de)(de)噪(zao)声容限。


此外,设计、使用抗EMI器件要注意以下几个问题:
(1)了解电磁环境,合理选择频率范围;
(2)噪声滤波器所在电路中是否存在直流或强交流,防止器件磁心饱和失效;
(3)了解插入电路前后阻抗大小和性质使达到噪声失配,扼流圈阻抗一般为30~5009,宜在低源阻抗和负载阻抗下使用;
(4)注意分布电容和相邻元件、导线产生感性交扰;
(5)控制器件温升,一般不要超过60℃。



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