電磁爐ＥＭＩ濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：當(dāng)電路中有電壓存在時(shí)，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周圍都存在磁場(chǎng)，所有的電子和電氣設(shè)備都是潛在的電磁干擾(EMI)源。本文在電磁干擾未到達(dá)被干擾設(shè)備前，根據(jù)其傳播的特點(diǎn)，采用各種手段將傳播切斷或削弱，遲到抑制干擾的目的。干擾經(jīng)導(dǎo)線直接傳導(dǎo)耦合到電路中是最常見(jiàn)的。抑制由導(dǎo)線直接傳導(dǎo)的干擾，主要措施是串接濾波器。

關(guān)鍵字：電源濾波器；共模干擾；差模干擾；EMI

引言

一個(gè)好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能外，電路設(shè)計(jì)和電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)的水平，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)起到非常關(guān)鍵的作用。現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來(lái)越強(qiáng)大，電子線路也越來(lái)越復(fù)雜，電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題成為人們迫切需要關(guān)注和解決的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把電磁兼容作為一種非關(guān)稅貿(mào)易壁壘來(lái)保護(hù)他們的市場(chǎng)。

EMI濾波器的設(shè)計(jì)

濾波技術(shù)的基本用途是選擇信號(hào)和抑制干擾。濾波是壓縮信號(hào)回路干擾頻譜的一種方法，當(dāng)干擾頻譜的成分不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，就可以用濾波器將無(wú)用的干擾過(guò)濾減小到一定程度，使傳出系統(tǒng)的干擾不至于超出給定的規(guī)范，使傳人系統(tǒng)的干擾不至于引起系統(tǒng)的誤動(dòng)作。濾波器將有用信號(hào)和干擾頻譜隔離的越充分，它對(duì)減小有用信號(hào)回路內(nèi)干擾的效果就越好。因此，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾是極其重要的。

EMI濾波器設(shè)計(jì)原則

濾波器的設(shè)計(jì)既可以用電抗組件實(shí)現(xiàn)，也可以用吸收組件實(shí)現(xiàn)。前者將不需要的干擾信號(hào)反射回去，后者將不需要的干擾信號(hào)吸收掉。反射式濾波器通常由電感或(和)電容這兩種電抗組件組成，使在通帶內(nèi)提供低的串聯(lián)阻抗和高的并聯(lián)阻抗，而在阻帶內(nèi)提供高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗。反射式濾波器就是利用LC建立起一個(gè)高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，把干擾頻率成分的能量反射回信號(hào)源而達(dá)到抑制干擾的目的。

濾波器的有效性取決于與濾波器連接的前后網(wǎng)絡(luò)的阻抗。要達(dá)到有效地抑制EMI信號(hào)的目的，必須根據(jù)濾波器兩端連接的EMI信號(hào)的源阻抗和負(fù)載阻抗合理連接。

如圖1所示，當(dāng)濾波器的輸出阻抗z_out與負(fù)載電阻z_L相等時(shí)，兩者匹配，此時(shí)負(fù)載無(wú)反射。當(dāng)z_L≠Z_out時(shí)，電路失配，則終端會(huì)產(chǎn)生反射，我們定義反射系數(shù)r為

r=(z_out-z_L)／(Z_out+z_L)(1)

當(dāng)負(fù)載含有電抗時(shí)，反射系數(shù)是復(fù)數(shù)。反射系數(shù)與衰減的關(guān)系是

A_r=-1O1g(1-IrI²)(2)

工程應(yīng)用中，常用反射系數(shù)r來(lái)表示通帶內(nèi)的最大時(shí)配情況。

設(shè)圖2中濾波網(wǎng)絡(luò)是電源EMI濾波器，用表示源端對(duì)濾波網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)，r₂表示負(fù)載端對(duì)濾波網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)，分三種情況討論：

①對(duì)電源頻率50Hz、60Hz或400Hz的交流信號(hào)而言，要求濾波網(wǎng)絡(luò)無(wú)損耗傳送。即：

f₁=f₂=0，z_s=z_in，Z_L=z_out

②為了濾除電網(wǎng)傳來(lái)的EMI信號(hào)，要求：

Z_s=z_in，r₁=0，電網(wǎng)上的干擾傳人網(wǎng)絡(luò)；

z_L>>Z_out，F(xiàn)₂=1，濾波網(wǎng)絡(luò)全部吸收干擾(從負(fù)載全反射)。

③為抑制電子設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的EMI信號(hào)，要求濾波網(wǎng)絡(luò)：

Z_L=Z_out，F(xiàn)₂=0，電子設(shè)備中的干擾傳入網(wǎng)絡(luò)；

z_s>>z_in，f₁=l，網(wǎng)絡(luò)全部吸收電子設(shè)備中的干擾。

由于電源系統(tǒng)阻抗值和干擾源的阻抗值隨時(shí)間、場(chǎng)合和頻率大范圍內(nèi)變化，難以設(shè)計(jì)一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)滿足上述三個(gè)要求。但是對(duì)EMI信號(hào)的反射，會(huì)增加對(duì)EMI信號(hào)的衰減，其數(shù)值可以用式(2)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)EMI信號(hào)有效的抑制。

根據(jù)EMI濾波器的基本原理和上述設(shè)計(jì)原則，為某電磁爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)的EMI濾波器原理圖如圖2所示：

EMI濾波器的參數(shù)確定

1．殘余電壓釋放電阻R取值

在允許的情況下，電阻取值越小越好，根據(jù)實(shí)際情況考慮以下因素：

①電阻要求采用二級(jí)降額使用，保證可靠性。降額系數(shù)為0．75、0．6W。根據(jù)歐姆定律可求出R>(0.75V_e)／(0．6P_e)。

②經(jīng)過(guò)雷擊浪涌后有殘余電壓，其瞬時(shí)值一般在1000V取值；其瞬時(shí)功率不能超過(guò)額定功率的4倍，可求出R>(V_cy)／(4p)。

③電阻要與c_x電容器配合使用，使時(shí)間常數(shù)r=R·c_x小于2秒。當(dāng)電容充放電時(shí)間等于T時(shí)，c_x電容器兩端的電壓上升或下降是最大值的63％。

綜合考慮，一股情況下，電阻R取值在75K Q～200k Q之間，功率為2W-3W的金屬膜電阻。

2．c_x電容器取值

c_x電容器是指該電容器失效后，不會(huì)導(dǎo)致工作人員遭電擊、不危及人身安全。電容器兩端必須并聯(lián)安全電阻，用于防止電源線拔插時(shí)電源線插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí)，在兩秒鐘內(nèi)，電源線插頭兩端電壓(或?qū)Φ仉娢?必須小于原來(lái)電壓30％。電容器上除加有電源額定電壓外，還會(huì)迭加上L和N之間存在的各種EMI信號(hào)峰值電壓。根據(jù)電容器應(yīng)用的最壞情況和電源斷開(kāi)的條件，c_x電容器的安全等級(jí)分為x₁和x₂兩類，見(jiàn)表1。

C_x電容器一般選用紋波電流比較大的聚酯薄膜安全電容，這種電容體積一股都很大，但其允許瞬間充放電的電流很大，即：內(nèi)阻比較小。普通電容器紋波電流指標(biāo)一般都很小，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻比較大，用普通電容器代替c_x電容器，除耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標(biāo)也是難以滿足要求的。c_x電容器一般取值在1uF～5uF之間。電容的耐壓值必須經(jīng)過(guò)雷擊浪涌后取值，浪涌殘壓瞬時(shí)值在1000V／s時(shí)電容不損壞，按二級(jí)降額的原則選取，取值在275V。

3．c_y1、C_y2電容器取值

這兩個(gè)電容器會(huì)引起設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電，容易危及人身安全，它們都屬于安全電容，其容量不能大，一般取值在2200pF～4700pF之間(對(duì)每個(gè)電容)，并且要求耐壓很高，否則，機(jī)器將會(huì)漏電。電容的耐壓值必須經(jīng)過(guò)雷擊浪涌后取值，殘壓瞬時(shí)值在1000V／s時(shí)不損壞，按二級(jí)降額的原則選取，取值在275V。

電容器頻率特性與電容的取值有關(guān)，取值越小，頻率特性越好。c_x電容器和c_y電容器，一般都是通過(guò)較小的電容器并聯(lián)來(lái)滿足容量的要求，這樣濾波器的高頻特性好。

4．電感器取值

從以下幾個(gè)方面考慮電感器材料的選取：第一，磁芯材料頻率范圍寬，要保證最高頻率在1GHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率；第二，磁導(dǎo)率高，實(shí)際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率通常分段考慮。共模線圈磁芯材料一般選用鐵氧體環(huán)形磁芯，環(huán)形磁芯適用于大電流小電感量，它的磁路比E形和u形長(zhǎng)，沒(méi)有間隙，用較少的圈數(shù)可獲得較大的電感量，由于這些特點(diǎn)它具有較佳的頻率特性。電感量的估算應(yīng)考慮阻抗和頻率。通常共模線圈取值在1．5mH-5mH之間，差模扼流圈取值為10uH-50uH之間。

設(shè)計(jì)電源EMI濾波器時(shí)，因?yàn)樗鼈児ぷ髟诟唠妷?、大電流、惡劣的電磁環(huán)境中，首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對(duì)于電感線圈，其磁芯、繞線的材料，絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應(yīng)予以重視。對(duì)于電容器，其電容種類、耐壓、安全等級(jí)、容量、漏電流等都應(yīng)優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過(guò)國(guó)際安全機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證的產(chǎn)品。

EMI濾波器的安裝

電源EMI濾波器對(duì)電磁干擾的抑制作用不僅取決于它的設(shè)計(jì)和工作條件，而且取決于濾波器的實(shí)際安裝情況。電源EMI濾波器的安裝質(zhì)量對(duì)濾波效果影響很大，只有安裝位置恰當(dāng)，安裝方法正確，才能對(duì)干擾起到預(yù)期的濾波作用。安裝時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

①安裝位置要依據(jù)干擾的侵入途徑確定。當(dāng)只有一個(gè)或很少幾個(gè)干擾源影響多個(gè)敏感設(shè)備時(shí)，應(yīng)在干擾源一側(cè)接人濾波器，這樣不僅可以減少使用濾波器的數(shù)目，而且可以使干擾局限于干擾源附近，降低對(duì)低電平線的要求。反之，當(dāng)只有一個(gè)敏感設(shè)備而有多個(gè)干擾源時(shí)，濾波器應(yīng)安裝在敏感設(shè)備一側(cè)。如果干擾來(lái)自電源線輻射，則應(yīng)在電源出口處安裝濾波器，否則輻射干擾將通過(guò)各種途徑侵入敏感設(shè)備。

②濾波器的輸入配線和輸出配線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，日．屏蔽隔離，以最大限度地減小輸入輸出之間的耦合電容，減小其旁路作用引入的傳導(dǎo)干擾與輻射干擾。

③濾波器必須設(shè)有良好的高頻接地，否則，當(dāng)濾波電容與地線阻抗諧振時(shí)，將產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，降低高頻濾波效果。為此，濾波器多采用機(jī)殼直接接地。

④濾波器的所有連線特別是地線應(yīng)盡量短，并按順序布置。

EMI濾波器的測(cè)試結(jié)果

EMI濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印制板上安裝電感線圈、電容器等，構(gòu)成EMI濾波器。設(shè)計(jì)的分立式EMI濾波器測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

EMI濾波器的設(shè)計(jì)，主要依據(jù)電磁干擾特性和系統(tǒng)電磁兼容性的要求，在了解電磁干擾的頻率范圍，估計(jì)干擾的大致量級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。首先要了解濾波器的使用環(huán)境，重點(diǎn)考慮其安全性能參數(shù)。根據(jù)接入電路的要求，以產(chǎn)生最大阻抗不匹配的原則來(lái)設(shè)計(jì)濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使濾波器對(duì)EMI噪聲產(chǎn)生最佳的抑制效果，從而實(shí)現(xiàn)EMC設(shè)計(jì)。

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