实用EMI噪讯对策讲座(10)--电源的噪讯

实用EMI噪讯对策技术讲座（10）电源的噪讯
AC电源线是噪讯最佳传递路径，尤其是AC电源线经常与各种电子机器连接，其结果造成接受来自电子机器的噪讯，此外AC电源线也会以强大的天线效应撷取放射噪讯，因此电子机器必需防止来自AC电源线的噪讯。

反过来说电子机器会送出噪讯，该噪讯对策也非常重要。

事实上AC电源噪讯与一般噪讯一样，一般模式（common mode）属于支配性，该对策非常重要。

噪讯以外例如AC电源的质量问题，会引发与噪讯一样的障碍，广义噪讯上必需设法消除。

图1是侵入一般AC电源线的surge实测例，由图可知提供AC电源的电子机器必需作surge对策。

AC电源噪讯对策的基本，是杜绝AC电源噪讯进入电子机器。

图2是一般AC电源线的噪讯对策结构。

图中的电源线滤波器具备两种功能，分别是过滤来自外部的噪讯，同时防止电子机器内部的噪讯流出外部。

电子机器是噪讯的被害者，同时也是加害者，它会对其它电路造成噪讯妨害，VCCI就是针对电子机器规范噪讯，VCCI同时还规范电子机器从AC电源线泄漏的噪讯。

噪讯对策组件
AC电源线滤波器广泛被使用，AC电源线滤波器简称为「电源线滤波器」。

图3是AC电源线滤波器的电路例，由图可知主体是一般模式（common mode）用滤波器。

图3（a）~（d）的C2是电容器，C3是一般模式用滤波器，（a）、（b）、（e）的L虽然是变压器（transformer）形式，不过实际上它是扼流圈（choke coil）（电感），因此称它为一般模式扼流（common mode choke）。

一般模式扼流对一般模式具有很大的阻抗（impedance），不过对标准模式（normal mode）却只有一般特性，它并不会使一般模式的信号衰减，而是抑制标准模式的信号噪讯。

利用电容器消除一般模式的噪讯，必需将两个电容器的中点接地，同时制作可以使一般模式噪讯折返发生源的通道，如果电容器未接地就没有效果，不过一般模式扼流即使未接地，同样具备可以阻碍一般模式噪讯的效果。

图中的（e）对一般模式不但可以对应支持一般模式扼流，而且不接地也能够直接使用。

图4是电源线滤波器的频率特性例。

以往有效范围0.5~30MHz的滤波器广泛被使用，随着遮信号频率的高频化，要求更高频率适用范围的滤波器。

不只是电源线滤波器，包含一般滤波器在内的滤波特性，并不是由滤波器单体决定，滤波器的特性随着信号源与负载的特性变化，然而电源线经常连接繁杂的负载，因此电源线的阻抗无法维持一定。

对电源线滤波器而言，信号源与负载的阻抗随着彼此设置场所经常出现很大的差异。

电源线滤波器是根据一般电源状况（信号源与负载）设定再依此匹配设计，然而实际使用条件经常与它出现极大的差异，在某些场所效果非常好滤波器，在其他场所效果却非常差。

图4的电源线滤波器频率特性，是根据预期的信号源与负载时的特性。

滤波器的特性
接着介绍滤波器的特性。

滤波器依照它的频率特性，分成低通滤波器（Low Pass Filter）与高通滤波器（High Pass Filter），此外还有与增幅电路组合构成的主动滤波器，以及由电容器、电感、电阻器构成的被动滤波器等等。

本章节只针对噪讯滤波用被动低通滤波器进行说明，同时将焦点锁定在非平衡型与标准模式（normal mode）用滤波器。

滤波器（阻抗ZF）夹在信号源与负载（阻抗ZL）之间，因此信号源又分成可以产生等价性决定的定电压电源VS与信号源阻抗ZS（图5）。

首先探讨最单纯的L与C单体滤波器。

L单体透过电感阻止高频噪讯流入负载（图6 ），具体内容根据图6内的式（a）所示它会被分压，此时噪讯频率内的滤波器阻抗ZF，如果比信号源阻抗ZS、负载阻抗ZL 大的话，出现在负载的电压VL，
它的噪讯电压会大幅衰减。

C单体滤波器利用电容器C使高频噪讯旁通（bypass），其结果反映在负载的电压VL，它的噪讯电压也会大幅降低。

此时的条件在频噪频率范围下，滤波器阻抗ZF，会比信号源阻抗ZS与负载阻抗ZL低。

反映在负载的电压VL可以利用图6的式（a）与图7的式（b）求得，根据式（a）与式（b）可知滤波器的阻抗取决于受到滤波器、信号源、负载阻抗，滤波器的特性并不是由单体特性决定。

接着探讨L与C构成的LC滤波器特性。

如图8所示LC滤波器有两种型式，L与C的组合，它的频率特性比L、C单体好。

此处应用电路仿真分析技术，分析滤波器的频率特性。

所谓电路仿真分析是指利用软件取代硬件构成的电路，求取电
路动作波形而言。

滤波器的特性对信号源与负载有相关性，因此调查滤波器特性时，必需尽量反映滤波器本身的特性。

此外信号源与负载不具频率特性，若使用电阻就可以掌握滤波器本身的频率特性，亦即透过信号源与负载的阻抗值，可以窥探滤波器的频率特性就。

图9的VDB（3）（绿色线）是L单体滤波器的频率特性；VDB（5）（红色线）是LC（L输入）型滤波器的频率特性由图可知：
*LC（L输入）型滤波器的频率特性比L单体尖锐（sharp）
*C单体与L单体的频率特性特征相同
*LC（C输入）则与LC（L输入）的频率特性特征相同
在单体型的阻止领域，滤波器的频率特性会以20dB/dec比率衰减，在LC的阻止领域内则以40dB/dec比率衰减（dec=10）。

LC型滤波器的频率特性除了比单体型滤波器优越之外，L插入端的信号源与负载阻抗即使很低却非常有效，一般信号源的阻抗大多很低，此时L输入型滤波器就可以充分发挥功用。

图9的VDB（7）（蓝色线）是L单体滤波器内，负载改换成阻抗（impedance）时的结果，负载如果是电阻时它会变成低通滤波器，负载改成阻抗后就成为高通滤波器。

虽然图9是相当极端的范例，不过即使信号源与负载是电阻时，该值对滤波器特性具有影响。

比较不极端的范例如图10所示，信号源与负载都是电阻的场合，图10充分反映该值对滤波器特性的影响度。

它是L单体滤波器为主体，改变信号源阻抗时的结果（影响度大小依照绿色、红色、蓝色线排列）。

如图10所示在通过领域，等化与cut-off频率都会变化，此时若改变负载阻抗会出现相异倾向，不过通过领域的等化与cut-off频率也会随着变化。

图11是利用LC滤波器改变信号源阻抗时的结果（影响度大小依照绿色、红色、蓝色排列），由图可知通过领域的等化与cut-off频率，以及频率特性的波形都出现变化，尤其是内产生峰值（黄色线与紫色线），该峰值是属于一种称为「共
振」的现象，共振现象应用在各种用途，某些情况共振现象反而变成有害，例如在低通滤波器共振造成的峰值变成有害。

反过来说信号源阻抗很大时（红色线、绿色线），LC型滤波器的特征会消失，变成接近L单体滤波器的特性。

为发挥LC型滤波器的特征，信号源与负载的阻抗必需是适宜值；相形之下变成L单体滤波器时，频率特性的波形不会改变，这也是L单体滤波器的特征之一。

电容器具有频率特性，利用电阻抗取代L输入型LC型滤波器输入端的电感L，同样会变成滤波器，这种滤波器称为RC滤波器，该滤波器的频率特性与C型或是L单体滤波器相同，若与C单体滤波器比较，它能够应用在低信号阻抗处，大幅提高泛用性。

图12是改变信号源阻抗时的RC滤波器的特性，由图可知虽然信号源的阻抗与其它图例一样大幅改变，不过滤波器的特性变化却非常少，本实例的负载阻抗比其
它图例采取高阻抗值方式。

通常信号线的输入阻抗大多很低，输出阻抗却很高。

使LC滤波器更拓宽泛用化适用就是图12的T型与TT型滤波器，它的频率特性比LC滤波器更优越。

电源线滤波器是将TT型滤波器当作基本型，经过修改（modify）后广泛使用，本图例的滤波器属于非平衡型，电源线滤波器则是平衡型。

图14是TT型滤波器的频率特性，它与上述图例一样改变信号源的阻抗，若与LC型滤波器滤波器比较，TT型滤波器的特性变化比较小可以广范围使用。

图14中出现峰值（黄色线与紫色线）与很浅的山谷，通常滤波器的频率特性图如果出现山谷时，当作电源线滤波器使用上大多安全没问题。

表1是根据以上各种各种滤波器的适用信号与负载特性整理成简易一览表。

变压器的特性
有噪讯问题的场所可以改用变压器，变压器当作「绝缘手段」时，对一般模式噪讯（common mode noise）非常有效，换句话说变压器是绝缘的代表性组件。

此外变压器除了噪讯对策之外，经常被当作安全对策的绝缘使用，例如医疗机器防止触电造成伤害时经常使用变压器，一般称为「绝缘变压器」就是只安全对策用变压器，反过来说噪讯对策用组件，它得目的用途不同，这类场合称为「绝缘变压器」的组件，当作噪讯对策用组件未必有效。

变压器原理上是让标准模式（normal mode）通过阻止一般模式，不过低频电源用变压器的外形尺寸相当大浮游电容也非常多，静电诱导造成高频噪讯通过，此处为防止高频噪讯通过，所以1次端与2次端分别作遮蔽（shield），形成所谓的「遮蔽型变压器」，虽然它可以某种程度阻止高频噪讯，不过整体而言还不尽理想，因为浮游电容会导致噪讯传递（图15）。

图16是遮蔽（shield）有无的比较，由图可知有遮蔽时噪讯对策略有改善却不够充分，反而是图16中无遮蔽变压器与电源线滤波器的组合对噪讯改善更有效果。

此外还有噪讯对策专用的变压器称为「噪讯滤波变压器（noise filter transformer）」或是「消除噪讯变压器（noise cut transformer）」。

上述噪讯对策组件对一般模式或是标准模式都很有效，尤其是要求严苛噪讯对策时经常使用。

图17是噪讯滤波变压器的特性例。

滤波器的性例通常是用频率表示，实际噪讯以脉冲状的噪讯居多，因此噪讯对策用滤波器通常针对脉冲波形的输入，以反应波形进行评鉴比较实用。

图18是噪讯滤波变压器的脉冲反应特性；图19是电源线滤波器＋变压器的脉冲反应特性。