EMI滤波器的防护设计说明

3300 pF
19.3
1100 pF
33
680 pF
42.5
330 pF
60
影响滤波器特性的参数
插入损耗
L、C个数决定
3dB
L、C数值决定
频率
截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！
不能单纯追求滤波器体积小
影响滤波器体积的主要因素： 电感量、结构是否紧凑 体积小的滤波器： • 截止频率高，低频特性差 • 高频特性差
失配的对应电路
RS RL小小
R S大
或 或
RS
或
小
R S大
或
RL 大 RL 大 RL小
按此原则如在实际运用中仍不够理想时，应分析原
因： 【 原因之一】是对被防护设备的干扰源情况预计不
足，特别是 共模干扰、差模干扰谁重谁轻？因为频谱仪检测的
是综合参数。 但可作如下分析：
【原因之二】是由于滤波器的电感和电容元件都受其 分布参数的影响，频率愈高，所受的影响愈大。在 实际生产过程中，如果装配工艺不严格，或者电感、 电容元件离额定值的偏差过大，则产品插入损耗离 产品说明书的插入损耗值就大，也会造成实际效果 不够理想。
其中瑞士SEV105规范要求最高为 2KV/50Hz 1分钟
差模耐压
德国VDE0565.1 瑞士 SEV1055 美国UL1283
高压测试（DC） PN 高压测试（DC） PN 高压测试（DC） PN
4.3UnkV 4.3UnkV
1.414kV
其中美国UL1283规范要求最高为 1.41KV/50Hz 1分钟
2.滤波器要安装在设备电源线的输入端，连线要尽量短。设备 内部电源要安装在滤波器的输出端。若滤波器在设备内的输入 线长了，输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分，见图 5.80。
4.要将滤波器正确地连接到设备内部的每一单元。 若带有单独电源的若干单元安装在同一个机架内，那么必须 把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接滤波器 ，否则在机架内这些单元中的每一单元的干扰都会传导给其他 单元，见图5.81。
滤波器
接地不良 绝缘漆
接地不良时滤波效果变差
电源滤波器的正确安装
PCB
滤波器
滤波效果最佳
1 输入线尽量短 2 输入、输出线隔离 3 接地良好
正确的安装方法
1.为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），滤波器除 一定要安装在设备的机架或机壳上外，为了尽量缩短滤波器的 接地线，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，见 图5.79所示。 若接地点不在一处，那么滤波器的泄漏电流和噪 声电流在流经两接地点的途径时构成地电流回路，会将噪声引 入设备内的其他部分。其次，滤波器的接地线会引入感抗，导 致滤波器高频衰减特性变坏。所以金属外壳的滤波器要直接和 设备机壳连接。
这里要说明的是：
1)泄漏电流直接和电网电压、电网频率成正比。2)在检验滤波 器泄漏电流时，一定要采用符合国际规范的测量电路。 3)三相 滤波器的泄漏电流应是各相泄漏电流之和。
电磁干扰滤波器的型谱
射频干扰滤波器
线路板安装形式
面板安装形式（馈通式安装）
底板安装形式
单路馈通滤波器
双路滤波器
多路滤波器 单
IL(dB)= 20log(1+ZsZ1/Zt(Zs+Zl))
IL（dB)= 20log(1+100X600/0.08(100+600)) =20log1072 =61dB
电源线滤波器的特性
理想滤波器特性 dB
实际滤波器特性
f Hz
低通滤波器类型
C

L
源阻抗 高 高 低 低
反
电路形式 C型、π型或多级π型
电源滤波器的基本电路
差模电容
共模电感
共模电容
电源滤波器的主要指标
• 截止频率 • 插入损耗 • 额定工作电压、电流 • 环境特性 •体积、重量 •漏电流
滤波器的截止频率
插入损耗
截止频率 3dB
频率 截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能性信号的带 宽，保证设备的正常工作，同时最大限度的衰减干扰信号
EMI电源滤波器插入损耗的计算方法
插入损耗的定义
经典的滤波器理论是以插入衰减理论为基础的滤波器设计 方法，如转移函数表示一个端口的电压（电流）和另一端口 的电压（或电流）之间的关系，以电压转移函数为例,当输 出端开路时，电压转移函数定义为:
电压增益=V0(s)/VIN(s) 电压衰减=VIN(s)/V0(s)
选择适当的截止频率
截止频率越低，滤波器的体积越大，成本越高！
并非级数越多性能越好
插入损耗
这个干扰始终不能滤掉
频率
器件距离对高频性能的影响
防止磁心饱和的方法
共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵消，因此磁心 不会饱和。
电源线滤波器的特性
理想滤波器特性
损
耗
实际滤波器特性 越来越受到关注
30MHz
【原因之三】是发生在重载和满载的情况。造成的主要 原由可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时， 产生磁饱和现象，致使电感量迅速下降，导致插入 损耗性能大大变坏。其中尤以有差模电感的滤波器 为多。
电源滤波器的错误安装1
PCB
输入线较长
滤波器
PCB
滤波器
输入、输出线耦合
电源滤波器的错误安装2
PCB
I
1分钟 1分钟 1分钟
1分钟 1分钟 1分钟
PN耐压测试采用直流电压的原因是因为Cx容量较大，如果采 用交流测试则要求耐压测试仪的电流容量很大，造成成本高， 体积大。采用直流电压测试就不存在这种问题。
泄漏电流与安全
任何典型滤波器电路的共模电容Cy都有一端接金属机壳。从分 压角度看，滤波器金属外壳都带有1/2额定工作电压。如工作电 压为220V（AC），那么外壳带有110V（AC）电压，因此从安 全角度出发，滤波器通过Cy到地端的泄漏电流（Leakage Current） 要尽可能地小，否则将危及人身安全。
频率
一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。
干扰电流的种类
差模干扰电流 共模干扰电流
电子设备
国际耐压规范
共模耐压
德国VDE0565.2 高压测试 (AC) P，NE 1.5kV/50Hz
瑞士SEV1055 美国UL1283
高压测试（AC）P，NE 2Un+1.5kV/50Hz
高压测试（AC）P，NE 1kV/60Hz
EMI滤波器的防护设计
•电源滤波器 •信号滤波器
滤波器
电源线滤波器
电源线上既有mV级骚扰电压,也有数百,上千伏瞬 态骚扰(其中,浪涌,电快速瞬变脉冲群占88.5%,电 压跌落占11%,电压中断占0.5%),特别是对敏感设 备,会造成直接影响.是45%计算机丢失数据和发生 故障的主要原因.
电子设备含有CPU,开关电源,可控硅,变频调速,马 达,继电器等时,也会对外界产生骚扰
为此，CISPR出版物4.2.2.2部分提出一种近似的方法，即 0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω系统测量方法。见图5.59。
Ly = 0.3 - 38 mH， Cy < 0.1μ F 漏电流 < 3.5 mA Lx = 几十-几百μ H Cx < 0.1 F
IL（dB)=20log(E1/E2)
三
相
相
交
交
大 电 流 馈 通 滤 波 器
小 交 高高 型 流 性性 馈 馈 能能 通 通 交直 滤 滤 流流 波 波 滤滤 器 器 波波
器器
圆 形 多 路
D
Βιβλιοθήκη Baidu
流 型滤 滤波 波器
滤
连
波 器
接 器
流 滤 波 器
传导发射
传导发射的对策
EMI滤波器的正确选择和使用
选择滤波器时,应首先选择适合你所用的滤波电路和插入损 耗性能。
滤波器的插入损耗
同轴电缆
同轴电缆
V1
同轴电缆
IL=20lg(v1/v2)
滤波器
V2
滤波器插入损耗曲测试线
增加差模扼流圈后的效果
插入损耗的测量方法
MIL-STD-220A或CISPR17出版物4.1提出的滤波器标准测量 方法： 1. 共模插入损耗的典型测量方法
根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50Ω上的 电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后，负载50Ω上的 电压V2，通过频谱分析仪将20log(V1/V2)随频率变化的结果显示在 屏幕上或通过接口打印出来。注意测量时，滤波器的输入端和输 出端是并联的。目的是取得共模插入损耗的平均值，同时也减少 了测量次数。
Le1

2
20 log Rs RL
插入损耗的原理图
电源滤波器一般常用的典型电路
从以上对开关电源干扰的分析和实测的结果，都说明开关电 源 的干扰频率和频域要比工频电源的频率50Hz～400Hz高得多和 宽 得多。因此，作为抑制干扰的电源滤波器应该是一个性能优良 的低通滤波器，它只让工频通过，要抑制除工频外的一切无用 或有害干扰频率，由于电路近似对称所以又具有双向抑制功能。 根据抑制干扰的能力又分为一般性能和高性能两种电源滤波器。
Rs (1 2Cx1Le1 2Cx1Le2 2Cx2Le2 4Cx1Cx2Le1Le2 ) 2

(L3e1Cx1CLx3eL2 e1
3Cx2Le1Le2 ) Rs Rl (Cx1 Cx2 Cx3 3Cx1Cx2 3Cx1Cx3Le2 3Cx2Cx3Le2 5Cx1Cx2Cx3Le1Le2 )
EMI源滤波器是以工频为导通对象的低通滤波器，是在不匹 配的条件下工作的，因为在实际应用中无法实现匹配。
如滤波器输入端阻抗Rs电网阻抗是随着用电量的大小变化的； 而滤波器输出端的阻抗RL是随电源负载的大小变化的，要想 获得理想的抑制效果，应遵循以下的连接规律。
理由是显而易见的，这种连接方式无论从输入端或输出端 进入滤波器的电磁噪声均能在滤波器内获得最大的抑制。
如我们采用A参数表示滤波器网络，A参数矩阵为：
A

a11 a21
a12
a22

则
IL

20 log
a11RL

a12
a21RS RL RS RL

R22 RS
所以EMI滤波器插入损耗和插入衰减的定义不同不能 直接照搬,为此EMI滤波器的插入损耗需要重新推导。
低频差模插入损耗的推导
单环差模插入损耗
I.LDM 10log RL (1 2LeC'x2 ) Rs (1 LC) 2
Le RsRL (Cx1 C'x2 LeCx1C'x2 ) 2 20log Rs RL
双环差模插入损耗
I.LDM 10 log RL (1 2Cx2Le1 2Cx3Le1 2Cx3Le2 4Cx2Cx3Le1Le2 )
0.1Ω/100Ω及100 Ω/ 0.1Ω阻抗测量方法
上述测量方法又称为50Ω系统测量方法，即源和负载阻抗均在 50Ω匹配的条件下测量，是目前许多滤波器制造商传统沿用的测 量方法。在实际情况，由于源阻抗和负载阻抗（设备的阻抗） 不可能是恒定的50Ω，所以实际获得的滤波器插入损耗特性与用 50Ω系统测量获得的滤波器插入损耗特性不会相同。
Г型或多级Г型 反Г型或多级反Г型
L型、T型多级T型
T

负载阻抗 高 低 高 低
单电感型滤波器
ZL
实际电感
理想电感
L
f0
C
1/（2π√LC ）
f
单电容型滤波器
ZC
实际电容
理想电容
1/2 LC
f
C
L
引线长1.6mm的陶瓷电容器
电容量 谐振频率(MHZ)
1 F
1.7
0.1 F
4
0.01F
12.6
电源滤波器的原理
电源滤波器是由电感、电容和电阻构成，允许 直流或50Hz的电流通过，对频率较高的干 扰信号有较大衰减，即低通高阻。
一般选用实用滤波器主要从三个方面考虑：电 流/电压、插入损耗、结构尺寸。
滤波器的作用
信号滤波器
PCB
电源
电源滤波器
切断干扰沿电源线或信号线传播的路径， 与屏蔽共同构成完善的辐射和干扰防护。
但EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I.L
（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。
IL 10 logP1 / P2
IL 10 log V12 /V22 20 logV1 V2
国际上泄漏电流的安全规范
国家
安规名称
对于一级绝缘的设备，泄漏电流的极限值
美国 加拿大
UL478 UL1283
C22.2No.1
5mA,120V,60Hz 0.5~3.5mA,120V,60Hz
5mA,120V，60Hz
瑞士 德国
SEV1054-1 IEC335-1
VDE0804
0.75mA,250V,50Hz 3.5mA,250V,50Hz