干货 | 直流电源EMI滤波器的设计

一、设计原则——满足最大阻抗失配

插入损耗要尽可能增大，即尽可能增大信号反射。设电源输出阻抗和与之端接滤波器输人阻抗分别为ZO和ZI，根据信号传输理论，当ZO≠ZI时，在滤波器输入端口会发生反射，反射系数  p=( ZO- ZI)/( ZO+ ZI)。显然，ZO与ZI相差越大，p便越大，端口产生反射越大，EMI信号就越难通过。所以，滤波器输入端口应与电源输出端口处于失配状态，使EMI信号产生反射。同理，滤波器输出端口应与负载处于失配状态，使EMI信号产生反射。即滤波器设什应遵循下列原则：源内阻是高阻，则滤波器输人阻抗就应该是低阻，反之亦然；负载是高阻，则滤波器输出阻抗就应该是低阻，反之亦然。

对于EMI信号，电感是高阻，电容是低阻，所以，电源EMI滤波器与源或负载端接应遵循下列原则：

①如果源内阻或负载是阻性或感性，与之端接滤波器接口就应该是容性。

②如果源内阻或负载是容性，与之端接滤波器接口就应该是感性。

二、EMI滤波器网络结构

EMI信号包括共模干扰信号CM和差模干扰信号DM，CM和DM分布如图1所示。它可用来指导如何确定EMI滤波器网络结构和参数。

EMI滤波器基本网络结构如图2所示。

上述4种网络结构是电源EMI滤波器基本结构，但是在选用时，要注意以下间题：

1）双向滤波功能——电网对电源、电源对电网都应该有滤波功能。

2）能有效地抑制差模干扰和共模干扰——工程设计中重点考虑共模干扰抑制。

3）最大程度地满足阻抗失配原则。

几种实际使用电源EMI滤波器网络结构如图3所示。

图3  实际使用电源EMI滤波器网络结构

三、电源EMI滤波器参数确定方法

a）放电电阻取值 在允许情况下，电阻取值要求越小越好，需要考虑以下情况：

第一，电阻要求采用二级降额使用，保证可靠性。降额系数为0.75 V，0. 6 W。根据欧姆定律可求出n>(0.75Ve)2/(0.6 Pe)。

第二，经过雷击浪涌后有残压，其瞬时值一般在1000 V取值;其瞬时功率值不能超过额定功率值4倍，也可求出R>(Vcy)2/(4Pe)。 两者综合考虑取R值，一般情况下，电阻R取值为75-200 K之间。功率为2-3 W。金属模电阻。

b）Cx电容取值

在允许情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，一般情况下，要求取值在l-5uf之间(对每个电容)。电容耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V/s时不损坏，按二级降额原则选取，取值在275 V，频率特性与电容取值有关，取值越小，频率特性越好。

c）Cy电容取值

在允许情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，但是不能太大，太大则漏电流较大，一般情况下，要求取值在2 200-4 700 pf之间(对每个电容)。电容耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V/S时不损坏，按二级降额原则选取，取值275 V，频率特性与电容取值有关，取值越小，频率特性越好。 Cx电容和Cy电容，一般都是通过较小电容并联来满足容量要求，这样滤波器高频特性好。

d）电感取值

材料选取原则——从以下几个方面考虑：第一，磁芯材料频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽频率范围内有比较稳定磁导率。第二，磁导率高，但是在实际中很难满足这一要求，所以，磁导率往往是分段考虑。磁芯材料一般是铁氧体。 电感量估算——考虑阻抗和频率。共模扼流圈取值 1.5-5 mH，差模扼流圈取值为 10-50uH;。

四、直流电源EMI滤波器安装要求

滤波器对电磁干扰抑制作用不仅取决于滤波器本身设计和它实际工作条件，而且在很大程度上还取决于滤波器安装情况。

滤波器引线与安装位置也是很重要问题。这是考虑到电源线除了沿电源线传导时会传输电磁干扰外，还会在传输过程中将电磁干扰辐射出去，对附近敏感电路(或设备)造成辐射耦合。因此必须考虑滤波器输人线和输出线之间不存在耦合，否则会导致滤波器性能下降。为此，滤波器输人线最好不直接引人设备内部，而是经过滤波之后才进入设备内部，利用设备机壳自然屏蔽作用，把电源产生辐射场排除在设备外部。 电源输人线不要过长。滤波器安装位置要紧靠电源人口。

滤波器输入线和输出线不要靠得太近。滤波器要良好接地，并且不能单根线按地，要与金属机壳大面积接触。

滤波器引脚或引线要尽可能短。

滤波器如果要和其它电路相连接，最好用接插件。

五、总结

1）滤波器金属外壳与机箱壳必须保证良好接触，并将接地线接好；

2）滤波器输人线、输出线必须有一定距离，避免滤波器性能下降；

3）滤波器连线以选用双绞线为佳，可以消除部分高频干扰；

4）滤波器安装位置应首选在电源入口处，以缩短输入线在机箱内长度，减小辐射干扰；

5）滤波器选用主要考虑其插人损耗，生产厂商所给出曲线一般取自 50Ω系统测试结果，而实际应用系统一般不在50Ω，插人损耗会有一些偏差，实际应用中电源滤波器是带通滤波器，要注意高频特性影响；

6）滤波器选用第2点是要注意工作电压，工作电流和漏电流，以免影响使用；

7）滤波器低频特性性能与体积有关，如果希望低频性能好，一般以牺牲体积为代价。