电源噪声滤波器的基本原理与应用方法

3EMI噪声和滤波器的类型

在电源设备输入引线上存在二种EMI噪声：共模噪声和差模噪声，如图1所示。把在交流输入引线与地之间存在的EMI噪声叫作其共模噪声，它可看作为在交流输入线上传输的电位相等、相位相同的干扰信号，即图1的电压V1和V2。而把交流输入引线之间存在的EMI噪声叫作差模噪声，它可看作为在交流输入线传输的相位差180°的干扰信号，即图1中的电压V3。共模噪声是从交流输入线流入大地的干扰电流，差模噪声是在交流输入线之间流动的干扰电流。对任何电源输入线上的传导EMI噪声，都可以用共模和差模噪声来表示，并且可把这二种EMI噪声看作独立的EMI源来分别抑制。

在对电磁干扰噪声采取抑制措施时，主要应考虑抑制共模噪声，因为共模噪声在全频域特别在高频域占主要部分，而在低频域差模噪声占比例较大，所以应根据EMI噪声的这个特点来选择适当的EMI滤波器。

电源用噪声滤波器按形状可分为一体化式和分立式。一体化式是将电感线圈、电容器等封装在金属或塑料外壳中；分立式是在印制板上安装电感线圈、电容器等，构成抑制噪声滤波器。到底采用哪种形式要根据成本、特性、安装空间等来确定。一体化式成本高，特性较好，安装灵活；分立式成本较低，但屏蔽不好，可自由分配在印制板上。

4噪声滤波器的基本结构

电源EMI噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的EMI噪声；同时又能有效地抑制电源设备产生的EMI噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备。

单相交流电网噪声滤波器的基本结构如图2所示。它是由集中参数元件组成的四端无源网络，主要使用的元件是共模电感线圈L1、L2，差模电感L3、L4，以及共模电容CY1、CY2和差模电容器CX。若将此滤波器网络放在电源的输入端，则L1与CY1及L2与CY2分别构成交流进线上两对独立端口之间的低通滤波器，可衰减交流进线上存在的共模干扰噪声，阻止它们进入电源设备。共模电感线圈用来衰减交流进线上的共模噪声，其中L1和L2一般是在闭合磁路的铁氧体磁芯上同向卷绕相同匝数，接入电路后在L1、L2两个线圈内交流电流产生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通饱和，又使这两个线圈的电感值在共模状态下较大，且保持不变。

差模电感线圈L3、L4与差模电容器CX构成交流进线独立端口间的一个低通滤波器，用来抑制交流进线上的差模干扰噪声，防止电源设备受其干扰。

图2所示的电源噪声滤波器是无源网络，它具有双向抑制性能。将它插入在交流电网与电源之间，相当于这二者的EMI噪声之间加上一个阻断屏障，这样一个简单的无源滤波器起到了双向抑制噪声的作用，从而在各种电子设备中获得了广泛应用。

5噪声滤波器的主要设计原则

共模电感线圈使用的磁芯有环形、E形和U形等，材料一般采用铁氧体，环形磁芯适用于大电流小电感量，它的磁路比E形和U形长，没有间隙，用较少的圈数可获得较大的电感量，由于这些特点它具有较佳的频率特性。而E形磁芯的线圈泄漏磁通小，故当电感漏磁有可能影响其它电路或其它电路与共模电感有磁耦合，而不能获得所需要的噪声衰减效果时应考虑采用E形磁芯作成共模电感。

差模电感线圈一般采用金属粉压磁芯，由于粉压磁芯适用频率范围较低，在几十kHz～几MHz，其直流重叠特性好，在大电流应用时电感量也不会大幅下降，最适合作为差模电感。

图2中，电源噪声滤波器使用二种电容器，CX、CY1和CY2，它们在滤波器中的作用不同，还有不同的安全等级要求，因此其性能参数直接与滤波器的安全性能有关。

差模电容CX接在交流电进线两端，它上面除加有额定交流电压以外，还会叠加交流进线之间存在的各种EMI峰值电压。所以该电容器的耐压及耐瞬态峰值电压的性能要求较高，同时要求该电容器失效后，不能危及后面电路及人身安全。CX电容器的安全等级又分为X1和X2两类，X1类适用于一般场合，X2类适用于会出现高的噪声峰值电压的应用场合。

共模电容CY接在交流电进线与机壳地之间，要求它们在电气和机械性能上，应有足够大的安全余量，万一它们发生击穿短路，将使设备机壳带上危险的交流电，如设备的绝缘或接地保护失效，可能使操作人员遭受电击，甚至危及人身安全。因此对CY电容器的容量要进行限制，使其在额定频率的电压下漏电流小于安全规范值。另外还要求其应有足够的耐压及耐瞬态高峰值电压的余量，并且万一发生电压击穿它应处于开路状态，而不会使设备机壳带电。

综上所述，在设计和选择电网噪声滤波器时，因为它们工作在高电压、大电流、恶劣的电磁干扰环境中，首先必须考虑所用电感器和电容器的安全性能。对于电感线圈，其磁芯、绕线的材料，绝缘材料和绝缘距离、线圈温升等都应予重视。对于电容器，其电容种类、耐压、安全等级、容量、漏电流等都应优先考虑，特别要求选择经过国际安全机构安全认证的产品。

6滤波器的安全性能参数

6.1滤波器与漏电流

电网滤波器漏电流定义为：在额定交流电压下，滤波器外壳到交流进线任一端的电流。如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，则漏电流的值，主要取决于共模电容CY的漏电流，即主要取决于CY的容量。由于滤波器漏电流的大小，涉及到人身安全，国际上各国对此都有严格的标准规定。对于220V/50Hz交流电网供电，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA。

6.2滤波器与试验电压

对于交流电网噪声滤波器，试验电压分为两种：一种是加在交流进线两端，即线—线试验电压。若电感线圈及引线是绝缘良好的，它主要取决于电容器CX的耐压；另一种是加在交流进线任一端与机壳地之间，即线—地试验电压。它主要取决于CY的耐压。

漏电流和试验电压都是噪声滤波器的安全性能参数，是滤波器中电感线圈、绝缘和电容器CX、CY安全性能的具体表现，并且与设备及人身安全紧密相关。因此在电网噪声滤波器的设计、生产和使用中，都要特别加以重视，把这些技术参数的认证和检验放在首位。

7滤波器的技术参数及正确使用

（1）插入损耗是噪声滤波器的重要技术参数之一，在设计和选用时应予主要考虑。在滤波器的安全、常规电气性能、环境及机械等条件都满足要求时，应尽量选择插入损耗值大些。

插入损耗的定义如图3所示，当没接滤波器时，信号源输出电压为V1，当滤波器接入后，在滤波器输出端测得信号源的电压为V2。若信号源输出阻抗与接收机输入阻抗相等，都是50Ω，则滤波器的插入损耗为：

IL=20log(V1/V2）(1)

图3插入损耗的定义