一種能有效抗電網干擾的噪聲濾波器

張秀秀

(長治學院 電子信息與物理系，山西 長治 046011)

一種能有效抗電網干擾的噪聲濾波器

張秀秀

(長治學院 電子信息與物理系，山西 長治 046011)

介紹了一種有效的噪聲濾波器。以分析噪聲的傳播方式、結合濾波器所需對應的開關電源工作頻率為基礎來設計濾波器，無需復雜的計算，對不同工作頻率的開關電源有較強的針對性。

濾波器；噪聲；電磁干擾

前言

在電子設備供電電源上存在各種各樣的外來干擾信號。很多電子設備本身在完成其功能同時，也產生了形形色色的 EMI(Electro Magnetic Interference)信號。這些EMI信號，通過傳導和輻射的方式，影響著該環境里運行的電子設備。

IBM公司的一項研究表明：一臺普通計算機裝置每月都會遭受120多次電源干擾。且電源問題是造成美國45％以上的計算機裝置丟失數據和發生故障的根本原因。從電源上所受的干擾統計分析，其中脈沖干擾占39.5％，振蕩瞬變占49％，這兩項共占88.5％，是電源受到干擾的主要成分。針對電網瞬變電壓的干擾，如何提高設備(產品)的抗擾度？有效可靠的措施之一就是噪聲濾波器。在電源線中往往同時存在共模和差模干擾，一般低于1 MHz頻率的干擾以差模為主，高于1 MHz頻率的干擾以共模為主。

1 噪聲濾波器網絡結構

濾波器的電路是無源網絡，它具有互易性。把負載接到濾波器的電源端，或接到負載端，原則上都是可以的，特別是在電源內阻(源阻抗)與負載電阻(負載阻抗)相等時，這種互換性測得的插入損耗也是相等的。噪聲濾波器是由共模濾波電路和差模濾波電路綜合構成。圖1為噪聲濾波器電路基本結構示意圖：L1為共模扼流圈；L2為差模扼流圈；Cx為差模工作電容；Cy為共模工作電容；R為泄放電阻(阻值較高)，在不工作時由R迅速泄放存儲在Cx中的電量，以免電擊操作人員。

2 噪聲濾波器中的濾波電感

噪聲濾波器中常見的濾波線圈有共模扼流圈、差模扼流圈。主要用于各種電源濾波器，工作在交流或直流條件。工作在直流條件時，要考慮直流磁化對電感的影響，由于濾波器電感要涉及軟磁材料，它不像電阻、電容元件那樣只需要正確選擇即可。

2.1 共模扼流圈

共模扼流圈是共模插入損耗中起主導作用的電感元件。共模扼流圈是在一個磁環(閉磁路)的上下兩個半環上，分別繞制相同匝數但繞向相反的線圈。此結構對相線(L)或零線(N)對地所形成的共模干擾具有電感抑制作用。因為共模干擾是同相的，所以在磁環中所形成的磁力線是互相疊加的而對相線和零線間所形成的差模干擾和工頻供電電流無電感抑制作用，因此差模干擾和供電電流是反相的。所以在磁環中所形成的磁力線是相互抵消的，因而命名為共模扼流圈，如圖2所示。共模扼流圈使用中與負載并聯，通常兩個線圈的電感量約為0.3～38 mH。

由于共模電感中的干擾信號比較弱，在低頻時，它工作在初始磁導率附近，所以共模電感的推導表達式為

式中，D為磁環平均直徑(cm)；A為磁環截面積cm2；μi為磁環初始磁導率；N為線圈匝數。由式(1)可以看出提高電感值的有效途徑有三個：即提高匝數N、初始磁導率μi和磁環截面積A，其中以提高匝數最有效，因為它與N成正比。

2.2 差模扼流圈

在高性能噪聲濾波器，為了提高差模噪聲的抑制性能，往往采取差模扼流圈與Cx電容組成L、T、π等濾波電路。差模扼流圈與共模扼流圈的最大區別在于差模扼流圈與負載直接串接，如圖3差模扼流圈結構圖，它采用單個繞組結構繞制而不像共模扼流圈那樣在一個磁芯上采用兩個相同繞組的結構。因此，當通過差模扼流圈的電流過大時，會產生磁飽和現象，電感量隨之逐漸下降，為了避免差模磁芯因飽和失去濾波作用，所以磁材的選擇尤為重要。

3 噪聲濾波器中的電容

在圖1噪聲濾波器電路結構中，電容器用了兩種不同的下標，“Cx”和“Cy”，下標“x”和“y”不僅說明了它們在濾波網絡中的作用，還表明了它們在濾波網絡中安全等級。

3.1 Cx電容器

Cx電容器是指用于這樣場合的電容器，即當該電容器失效后，不會導致工作人員遭到電擊、不危及人身安全。在實際應用中，Cx電容器接在單相電源線地L和N之間，它上面除加有額定電壓外，還會疊加上L和N之間存在的各種EMI信號峰值電壓。例如，因接通或斷開電子設備的電源，會在其上疊加≤1200 V的峰值電壓。根據Cx電容器應用的最壞情況和電源斷開的條件，Cx電容器的安全等級又分為X1和X2兩類。

3.2 Cy電容器

首先，要對Cy電容器的電容量進行限制，從而達到控制在規定頻率電壓作用下，流過它的電流(即漏電流)的大小。對于220 V、50 Hz的電源，它除符合250 V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機械性能方面，具有足夠的安全余量，以避免可能出現的擊穿短路現象。

4 結論

用文中的方法設計出來的噪聲濾波器對噪聲有較為明顯的抑制作用，有助于減小開關電源受到的傳導干擾。由于濾波器使用的環境不同，以及在高頻時元件產生的寄生效應，實際的使用效果與設計結果不會完全吻合，特別是接入濾波器的設備阻抗大小對使用效果有比較大的影響，所以針對不同的使用情況，特別是在高頻環境下，還需要對濾波器進行具體優化。使用時若加裝屏蔽盒，減少外接線，可以使濾波器達到良好的使用效果。

[1]Accredited Standards Committee On Electromagnetic Compatibility.ANSIC63.13-1991 American National Standard Guide on the Application and Evaluation of EMI Power-Line Filters for Commercial Use[S].USA：IEEE，1991.

[2]Fu-Yuan，Dan Y.Chen，Yan-Pei Wu，etc..A Procedure for Designing EMI Filters for ACLine Applications[J].IEEE TRANSACTIONSON POWER ELECTRONICS，1996，(11)：170-181.

[3]雷新.電源EMI濾波器的設計、特性及其選取原則[J].電子產品可靠性與環境試驗，2002，(4)：50-54.

[4]張鈞，劉克成.微帶天線理論與工程[M].長沙：國防工業出版社，1988.

[5]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.

A Kind of Noise Filter for Restraining EMI of Electric Network

Zhang Xiu-xiu
(Department of Electronic Information and physics Changzhi University，Changzhi Shanxi 046011)

A simple and useful procedure for noise filters is presented.This procedure is based on the analysis of noise and the frequency of SMPS.This procedure needs no complex computing and fits SMPSwith certain frequency well.

filter；noise；EMI

TB535+.2

A

1673-2014(2012)02-0053-03

2011—02—10

張秀秀(1980—)，女，山西長治人，講師，主要從事電子電路方面的教學與研究。

(責任編輯 郝瑞宇)