电源滤波器设计与使用原则分析

电源滤波器设计与使用原则分析
中心议题：
∙城市轨道交通控制系统和电源系统需要加装滤波器
∙介绍电源滤波器的基本概念、参数选取以及安装原则等几个方面
∙分析电源滤波器得出相关结论
解决方案：
∙安装无源EMI滤波器，减少干扰和衰减
∙采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈，得到共模电感，减小差模电感
∙串联电感和并联的滤波电容不能选择太大
∙正确安装滤波器，获得预期的衰减特性
引言
为了符合国际电磁兼容标准的要求，使用高频开关器件的电源电子电路必须安装合适的电磁干扰滤波器(以下简称EMI滤波器)，以阻止频率范围为150kHz～30MHz的传导干扰侵入电源网络。

由于城市轨道交通的特殊性，其共模和差模干扰很容易引起车载设备传导和辐射干扰升高，使其无法达到电磁兼容标准的要求。

为此，必须在导线和电子设备之间的供电部分安装一个合适的无源EMI滤波器，将干扰衰减到所要求的程度。

常用设计滤波器的公式和图表是在其源阻抗和负载阻抗匹配情况下得出的。

而EMI滤波器存在阻抗失配问题，因此在这种滤波器的实际设计中通常采用试探法。

但采用试探法时，由于高频时寄生参数起主导作用以及对噪声源的内阻抗不了解，使得选择正确的设计参数值变得非常困难。

对于共模干扰尤其如此，因为其大小在很大程度上就取决于电路的布置和电路的寄生参数。

本文结合研究和设计电源滤波器的实践，在简化电源滤波器设计过程的同时，仍能满足实际应用场合的需要。

电源滤波器中共模扼流圈内磁通的分析
电源滤波器中共模扼流圈的作用，一般采用以下论述：“共模扼流圈管芯两侧的磁场相互抵消，因此不存在磁通使管芯饱和”。

尽管这种论述对共模扼流圈作用的直觉叙述具体化了，但实质并非如此。

因为根据电磁场理论中的麦克斯韦方程，可以得到以下结果：
假设电流密度J产生磁场H，则附近的另一个电流不会抵消或阻止磁场或由此而产生的电场；
同样一个相邻的电流可以导致磁场路径的改变；
在环形共模电感的特殊场合中，每条引线中的差模电流密度可假定是相等的，且方向相反。

由此而产生的磁场必定在环形磁芯周边上的总和为零，而在其外部的总和则不为零。

磁芯的作用就好像它在线圈绕组的间隙处裂为两半时所表现出来的效果一样。

每个绕组在环形线圈一半的区域内产生磁场，意指穿过空气的磁场必定会形成自封闭回路。

图1是环形磁芯和差模电流磁路的示意图。

为了得到共模电感，同时使差模电感最小，设计时最好采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈。

采用较大的螺旋管磁芯(并非一定要采用这样的磁芯)可在共模扼流圈内并入有效的差模电感。

由于差模磁通是远离磁芯(环形结构)的，因此可能会产生极强的辐射，尤其是滤波器安装在印刷电路板( PCB)上时，这种辐射可以耦合到电源线，使传导发射增强。

当磁性材料被带到场内时(例如环形磁芯放置在铁壳里)，差模磁导率就会显著地增加，从而由于差模电流导致磁芯的饱和。

为了实现有效的滤波器设计，必须解决磁通离开磁芯引起的辐射问题。

具体解决办法有两种：或将差模磁通限制在磁性结构物体中(壶形铁芯)，或为差模磁通(E形铁芯)提供一条高磁导率的路径。

电源滤波器设计参数的选取
由于电源滤波器接主电源线，因此在设计中除了要考虑源阻抗和负载阻抗不匹配的因素之外，还必须考虑其对串联电感的电感量和并联电容的电容量的严格限制。

滤波器中所采用的串联电感受到电源频率下允许电压降的限制，不能选择太大；并联的滤波电容受到允许接地漏电流的限制，也不能选择太大。

由于以上限制，往往很难同时满足对滤波器插入损耗的要求。

电源EMI滤波器允许的最大串联电感
设滤波器中串联电感器的电感量为L，等效电阻为R，电网频率为ωm，网侧额定工作电流为Im。

在电网频率下，电感器上的压降为：
考虑到电网中可能产生的浪涌电流的影响，通常ΔU被限制在额定工作电压的10%以内。

若忽略R上的电压降，设允许电感器上的电压降为ΔUmax，则允许的最大串接电感值为：
电源EMI滤波器允许的最大滤波电容
电源EMI滤波器中的滤波电容器通常接在相线与大地之间。

该电容容量过大时将造成漏电流过大，从而危及人身安全。

其漏电流值为：
由式(3)可得到在电源EMI滤波器中允许采用的滤波电容为：
式中：Um为电网电压，V；fm为电网频率，Hz；Ig为允许的接地漏电流，mA。

基于以上分析，对电源滤波器中串联电感及并联电容最大值的限制，可以得到LC乘积的最大值为：
对于小功率的电子设备而言，LmaxCy，max的值通常为100μHμF，这是一个非常小的数值。

以单级LC 滤波器为例，为简化分析，用电压衰减来代替插入损耗，可得此时插入损耗为：
若取LmaxCymax值为100μHμF，频率为150kHz，则插入损耗为：
电源滤波器的安装
电源滤波器的安装质量对衰减特性影响很大，只有将滤波器正确地安装在设备上，才能获得预期的衰减特性。

滤波器的安装应遵循以下几个原则：
(1)电源供电线路的电源滤波器应安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处，并对滤波器加以屏蔽，屏蔽体应与设备壳体良好搭接；
(2)对于城市轨道交通等载运工具，电动机以及各种电器开关装置等干扰源应与其电源滤波器安装在同一屏蔽箱体内，滤波器装在电源入口处，电源输入线不应在箱体内裸露；
(3)滤波器中电容器引线应尽可能短，以避免感抗与容抗在较低频率上发生谐振，电容应与其它元件正交安装，减小相互间耦合；
(4)滤波器的接地导线上有很大短路电流通过，会造成有害电磁辐射，因此滤波器抑制元件自身要进行良好的电磁屏蔽和接地处理；
5)滤波器的输入和输出引线不能交叉，在输入引线和输出引线之间应有屏蔽层，否则会降低滤波器的滤波特性。

结论
(1)电源滤波器中共模扼流圈内既存在共模磁通也存在差模磁通。

为了得到共模电感，同时使差模电感最小，设计时最好采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈，另外必须解决磁通离开磁芯引起的辐射问题。

(2)在电源滤波器设计中除了要考虑源阻抗和负载阻抗不匹配的因素之外，还必须考虑其对串联电感的电感量及并联电容的电容量的严格限制，以满足对滤波器插入损耗的要求。

(3)电源滤波器的安装质量对其衰减特性影响很大，必须遵循相关原则将滤波器正确安装在设备上，以获得预期的衰减特性。

(4)由于城市轨道交通的控制系统和电源系统所处的电磁环境非常恶劣，为减少由于电磁干扰引起的车载设备误动作，保证人身安全，必须针对其电源及传输线加装滤波器。