电源电磁干扰(EMI)滤波器详细讲解

8
好的综合性能。泄漏电流的测试电路如下所示：
L
L'
E 滤波器
N
N'
mA
图 10 泄漏电流测试电路
耐压测试：为确保电源滤波器的性能以及设备和人身安全，必须进行滤波器耐压测试。 决定线-线之间耐压性能的关键器件就是差模电容 CX，若 CX 电容器的耐压性能欠佳，在出现峰 值浪涌电压时，可能被击穿。它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器功能丧失或性能下降。 CY 电容器除了满足接地漏电流的要求外，还在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，避免 在极端恶劣的环境条件下出现击穿短路现象。故线-地之间的耐压性能对保护人身安全有重要意义， 一旦设备或装置的绝缘保护措施失效，可能导致人员伤亡。因此，必须对接地电容（CY）进行严格 的耐压测试。 根据相关标准要求，开容公司生产的电源滤波器满足如下耐压测试要求：
交流电源滤波器 线-地：1760VAC（1 分钟）耐压测试； 线-线：1500VDC（1 分钟）耐压测试。
直流电源滤波器 线-地：500VDC（1 分钟）耐压测试； 线-线：200VDC（1 分钟）耐压测试。
为减小接地阻抗，滤波器应安装在导电金属表面或通过编织接地带与接地点就近相连 （图 11），避免细长接地导线造成较大的接地阻抗。
传导干扰电平（dBuA）
100
90
GJB151A（A3类）
80
GJB151（A3类）
70
60
50
40
30
20
10
0
0.01
0.1
1
10
100
频率（MHz）
图 6 GJB151 和 GJB151A 中规定的电源线传导干扰发射极限值
90
80
70
传导干扰电平（dBuV）
60
50
40
GB9254(A级)
30
6
国（军）标中规定了各类电子设备的电源线传导发射极限值。图 6 中分别给出了 GJB151、GJB-151A 中 CE03、CE102 规定的典型电源线传导发射极限值，图 7 给出了 GB9254 中 A 级及 B 级设备的传 导发射极限值。若受试设备传导发射超标，可参照发射极限值确定插入损耗指标，选用合适的电源 滤波器。
测 试标准的确定为电源滤波器的各项指标提供了统一的衡定依据。其中最主要的测试项目包括插 入损耗测试、泄漏电流及耐高压测试等。
插入损耗测试方法参照 MIL-STD-220A 和 GB7343，这些标准都规定，共模和差模插入损耗是在 源端或负载端阻抗 50~75Ω间的某一阻值的系统内进行测量的（本公司产品插损数据采用 50Ω系统 进行测量），测试原理如图 9 所示：
50Ω
信号 发生器
L
L′
EMI
电源滤波器
N
N′
50Ω
接收机 E
50Ω
信号 发生器
L
L′
EMI
电源滤波器
N
N′
50Ω
50Ω
E
(a) 共模插入损耗测试原理
(b) 差模插入损耗测试原理
图 9 电源滤波器测试原理
50Ω 接收机
泄漏电流是指在 250VAC 的电压下，相线和中线与滤波器外壳（地线）间流过的电流。它主要 取决于接地电容（共模电容）的取值。较大的共模电容（CY）可以提高插入损耗，但却造成较大的 漏电流。故开容公司根据产品使用环境，兼顾滤波器电性能和安全性能进行设计，使滤波器具有良
机箱壁
接地端 细长接地线
非导电面
滤波器
机箱壁 电源输入
接地端 导电面
编织接地线 滤波器
（a）错误接法
（b）正确接法
图 11 滤波器安装时应保证良好接地
电源输入
9
滤波器应尽量安装在设备的入口/出口处（如图 12）。
机箱壁
其 他
滤波器输出
在电子设备及电子产品中，电磁干扰（ElectroMagnetic Interference）能量可通过传导性耦合 或辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，辐射性耦合采用屏蔽技术加以抑制，对传导性耦 合采用滤波技术，即采用 EMI 滤波器件加以抑制。
通用的 EMI 滤波器可以定义为一个低通网络，由电感、电容或电阻等无源元件组合而成。一般可 根据其电路形式分为 T 型、L 型、π型等基本电路形式（参见表 1）。但 EMI 滤波器不同于通常的信号 处理滤波器，二者所关心的滤波器指标、使用环境等都是截然不同的。普通的低通滤波器关心幅频特 性、相位特性、群延时、波形畸变等；而 EMI 滤波器更关心插入损耗、能量衰减、截止频率等参量。 从使用环境来看，EMI 滤波器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，而且在 使用中必须结合接地技术与屏蔽措施，才能达到良好的 EMI 抑制效果。
值得注意的是，根据大量的测试结果分析，若选用的滤波器恰好只满足电源线传导发射测试要 求（高频至 10MHz/30MHz/50MHz），线上在高于此频段仍将存在较强的传导干扰（尤其是对于 GJB151A， 其高频仅为 10MHz），这将会导致电源线辐射发射较强，往往造成设备辐射发射测试（RE102/RE02） 超标，并且该类超标难以通过其他屏蔽措施抑制。开容公司设计生产的 KF 系列电源滤波器不仅满 足电源滤波器的通用标准要求，而且 KF 系列滤波器还具有高至 100MHz 的高插损性能，可有效解决 传导发射（CE）超标的问题，同时有效抑制因传导干扰而产生的线上辐射发射，更有助于设备满足 辐射发射（RE）的测试要求。同样道理，KF 系列滤波器对设备满足传导敏感度及辐射敏感度的测 试要求也是大有裨益的。
EMI 电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要器件，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极 其重要的作用。它不仅可抑制线上传导干扰，同时对线上辐射发射的抑制具有显著效果。
负载噪声源和电源网络的连接方式如图 2 所示。电源与负载网络具有相线（L）、中线（N）和地线 （E）, 故将电源线上 EMI 噪声分解为两部分：L 与 N 为差模传导干扰 IDM，L（或 N）与 E 为共
I1 I2
（dB）
定义 EMI 滤波器在频域内满足 3dB 插入损耗所对应的频点为截止频率。截止频率对于合理选用滤 波器非常关键，必须保证工作频率小于 EMI 滤波器的截止频率。
1
阻抗失配端接原则是应用 EMI 滤波器必须遵循的原则。根据网络理论，EMI 滤波器是双向无源网 络（标识其“源端”和“负载”端），在实际应用中，必须根据滤波器两端将要连接的源端阻抗和负 载阻抗，按表 1 来选择 EMI 滤波器的网络结构和参数，才能得到满意的 EMI 抑制效果。若不能满足阻 抗失配的原则，就会影响滤波器的插损性能，严重时甚至引起谐振，在某些频点处出现干扰放大现象。
开容 公司针对军标和民标的不同要求，并且根据传导干扰的分布特性，分别设计了适用于军标 要求的高性能军用电源滤波器和适用于民标要求的工业用、民用电源滤波器；在此基础上 又研制了适用于特殊场合的专门用途滤波器。工程设计人员可结合实测的传导发射量值，参照图 8 选用合适的 EMI 电源滤波器，以使系统或设备满足测试要求。
源端阻抗特性
表 1 滤波器选用的阻抗失配端接原则 应采用的滤波电路
负载端阻抗特性
高阻抗
高阻抗 π型
高阻抗 L型
低阻抗
低阻抗 L型
高阻抗
低阻抗 T型
低阻抗
一般情况下，电源的共模输入端（滤波器源端）多为低阻抗，KF 系列电源滤波器（除“专门用 途滤波器”中的某些类型外）均按此特征（如图 4 的共模等效电路中，接入源端一侧选用高阻抗特性 的 L 型滤波电路，满足“阻抗失配端接原则”）进行设计，设计人员只需根据负载端的阻抗特性合理 选用 EMI 电源滤波器。其余类型滤波器应注意使用条件，必须满足上述原则。
图 3 EMI 电源滤波器的网络结构
L(N) + U1 -
E
屏蔽壳 I1
L CY
图 4 共模等效电路
I2
L′(N′) +
L+
U2
U1
E
N-
屏蔽壳
I1 Le
I2
L′
+
CX CY/2
U2
- N′
图 5 差模等效电路
图 3 中的 L 称共模扼流圈，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的 共模扼流圈对 L（或 N）与 E 之间的共模干扰具有抑制作用，而对 L 与 N 之间存在的差模干扰无电 感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生，图 5 中的 Le 即为非理想共 模扼流圈的漏电感。
GB9254(B级)
20
10
0 0.01
0.1
1
10
100
频率（MHz） 图 7 GB9254 中规定的电源线传导干扰发射极限值
DM
DM CM
CM
0.01
0.1
1
10
Baidu Nhomakorabea
30 100
频率（MHz）
图 8 共模干扰和差模干扰的频率分布
7
对比军标与国标的极限值曲线，GJB151 规定的频率范围为 15kHz~50MHz，GJB151A 规定的频率 范围为 10kHz~10MHz。而 GB9254 规定的频率范围为 100kHz~30MHz；军标测试采用峰-峰值检波，民 标测试采用准峰值检波。所以，总体来看，军标要求要比民标严酷得多，实际测试中往往大量存在 着超标现象。根据大量控制设备传导干扰的经验，总结出图 8 所表示的 CM（共模干扰）和 DM（差模 干扰）信号电平的分布图，它反映了这两种类型传导干扰占主要地位的频段分布。
EMI滤波器对 EMI 传导噪声的抑制能力用插入损耗 IL（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。
滤波器接入前、后的电路如图 1 (a)、(b)所示。
Rs Vs
影响滤波器性能的因素还包括材料的饱和特性、温度特性、高频分布参数特性等，若这些因素把 握不当，会大大削弱滤波器的预期性能。通常，滤波器专业生产厂商在设计、加工过程中都应 考虑上述因素的作用，提供独立、完备的滤波模块，而不仅仅是器件的堆砌。
2
如开容公司生产的 KF 系列电源滤波器，在设计、加工中综合考虑了各种因素的影响，例如： 选择作为电感器件的铁氧体磁芯材料时，考虑了材料的磁饱和特性、温度特性； 电容元件设计选用时，考虑耐压特性、温度特性、介质老化特性，并且严格控制电容引线长度， 以削弱高频分布参数的影响； 合理布置滤波器内各器件的顺序、位置、取向，有效避免各器件间的相互耦合，使滤波器性 能达到最佳； 结合屏蔽设计技术实现滤波器输入/输出端的有效隔离。
印制板用分立滤波器
方便应用于印制电路板设计，可有效抑 制信号线高频干扰，也可吸收较大的浪 涌电压。
表面贴装滤波器
体积小、无引线，广泛应用于高密度组 装的电路设计中。
铁氧体滤波器
吸收式滤波器，极低影响原有电路的网 络特性。适用范围广，使用方便。
4
EMI 电源滤波器是低通滤波器，它无衰减地把直流、50Hz、400Hz 等直流或低频电源功率传送 到设备上去，而对经电源传入的 EMI 噪声进行衰减，保护设备不受干扰；同时又能抑制设 备本身产生的 EMI 传导干扰，防止它进入电源，污染电磁环境，危害其他设备。
I1 +
V1
RL
-
Rs +
Vs
-
I2
滤+
波
器 V2
RL
-
(a)
图 1 滤波器插入损耗的定义 (b)
插入损耗表示为
IL
= 10 log10
P1 P2
（dB）
根据图 1 中功率与负载电压（电流）及负载阻抗的关系变换，常用负载端电压（电流）的比值来
表示，即：
IL
=
20
log10
V1 V2
=
20 log10
正是基于对各种因素的综合控制，才使 KF 系列滤波器具有优异的滤波性能，设计人员只需根据 具体的使用环境、使用要求合理的选用即可。
3
电源滤波器
抑制电源线传导干扰，适用于不同类型 的供电电源。
馈通型滤波器
有效抑制信号线高频噪声，可用于滤波 连接器阵列。结合屏蔽技术使用效果更 佳。也可应用于小直流供电电源。
与一般滤波器不同，图 3 中的电容器使用两种不同的下标表示，即 CX 与 CY。其中 CX 接于 L 与 N 之间，称为差模电容；CY 接于 L（或 N）与 E 之间，称为共模电容或接地电容。下标 X 和 Y 不仅说 明它们在滤波网络中的作用，同时也表明各自的安全等级，这两类电容器的性能直接与滤波器的耐 压及安全性能相关。这一点在“滤波器测试”中再继续介绍。
模传导干扰 ICM 。
EMI 电源滤波器分别针对两种类型的传导干扰进行设计。图 3 所示的网络结构即为一种典型的
电源滤波器电路，对应的共模、差模滤波等效电路分别如图 4、图 5 所示。
I1 L
电源
IC
负载
E
网络
ID IC
N
L 电源 N E
屏蔽壳
L CX
L
CY CY
L′ 负载
N′
I2
图 2 共模、差模电流流向