开关电源EMI滤波器的正确选择与使用
开关电源ＥＭＩ滤波器的正确选择与使用
１插入损耗和滤波电路的选择
在用户选择滤波器时，最关心插入损耗性能。但是，往往插入损耗相近的滤波器，在实际运用中效果相差甚远。究其主要原因是，相近插入损耗的滤波器可由不同的电路实现。这和理论分析是吻合的，因为插入损耗本身是个多解函数。
所以，选择滤波器时首先应选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。要做到这一点，就要求了解所使用电源的等效噪声源阻抗和所需要对噪声的抑制能力。这符合“知己知彼，百战百殆”的客观规律。
那么滤波电路和电源等效噪声之间存在什么样的关系呢？
众所周知，ＥＭＩ滤波器是由Ｌ、Ｃ构成的低通器件。为了在阻带内获得最大衰减，滤波器输入端和输出端的阻抗需与之连接的噪声源阻抗相反，即对低阻抗噪声源，滤波器需为高阻抗（大的串联电感）；对高阻抗噪声源，滤波器就需为低阻抗（大的并联电容）。对于ＥＭＩ滤波器，这些原则应用于共模和差模中。
如按此原则选用的滤波器，在实际运用中仍存在效果相差很多的现象，特别发生在重载和满载的情况下。造成这一问题的主要原因可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时，产生饱和现象，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。因差模电感要流过电源火线或零线中的全部工作电流，如果差模电感设计不当，电流一大，就很容易饱和。当然也不排除共模扼流圈，因生产工艺水平较差，两个绕组不对称，造成在重载或满载时产生磁饱和的可能。
图1 共模滤波器模型
1.1.2差模滤波电路
由于开关电源的开关频率谐波噪声源阻抗为低阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。
ＡＣ电网火线和零线之间是低阻抗，所以与之对应的滤波器输入端也应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。如果想再进一步抑制差模噪声，可以在滤波器输入端并接线间电容ＣＸ１，条件是它的阻抗要比ＡＣ电网火线、零线之间的阻抗还要低得多。
开关电源工频谐波噪声源阻抗是高阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是低阻抗并联大电容ＣＸ２。
合成的差模滤波电路参见图２。
最后，完整的共、差模滤波电路参见图３。
图2 完整的差模滤波器模型
图3 组合滤波器电路
根据要求插入损耗，可求出滤波电路的ＬＣＭ、ＬＤＭ、Ｃx、Ｃy的值。如果单环电路的插入损耗不能满足要求时，应该选择双环电路。
1.2交流三相滤波电路
交流三相滤波电路又分为三相三线制和三相四线制两种。
典型的单环三相三线制滤波电路如图４所示；典型的双环三相三线制滤波电路如图５所示。
图4 单环三相三线制滤波电路
图5 双环三相三线制滤波电路
比较图４三相中的每一相电路即每相对地电路和典型单相电路就不难发现，其共模电路三相采用π型电路，单相采用Ｌ型电路；而差模电路三相的输出端有Ｃx电容，单相的输出端无Ｃx电容。
对比双环单相和三相三线制滤波电路（图５）不难发现，三相中的每一相电路和单相电路完全一样。
典型单环有差模电感的三相三线制滤波电路如图６所示。大家可以和单环有差模电感的单相滤波电路相比较。
典型的单环三相四线制滤波电路如图７所示。
图６单环有差模电感三相三线制滤波电路
图７单环三相四线制滤波电路
比较三相中的每一相电路即每相对中线电路和单相电路，同样差模电路三相的输出端有Ｃx电容。对地的共模电路三相采用π型电路，但区别的是Ｃy电容对每相来讲是公用的。
1.3直流滤波电路
为了抑制开关电源对其电流负载产生共模、差模干扰，开关电源直流输出端往往使用直流ＥＭＩ滤波器，它的典型电路如图８所示。
图８直流滤波电路
显然，这是一个共模扼流圈的典型单环滤波电路。根据电路特点，它只适用于直流输出端对地对称的电源电路。
如果直流输出是非对地对称电路，则只能采用图９所示的电路。该电路为采用二级差模电感电路。如果插入损耗允许，当然也可采用一级差模电感电路。
图９二级π型滤波器
２额定电流与环境温度
ＥＭＩ滤波器一般采用高导磁率软磁材料锰锌铁氧体，初始导磁率μi＝７００～１００００，但其居里点温度不高，优质的仅为１３０℃左右。导磁率越高，居里点温度越低，典型曲线如图１０所示。
除特殊说明外，ＥＭＩ滤波器说明书给出的额定电流均指室温＋２５℃的值；同样，给出的典型插入
损耗或曲线也均指室温＋２５℃的值。
随着环境温度的升高，主要由电感导线的损耗、磁芯损耗以及周围环境温度等原因导致温度高于室温，结果难于确保插入损耗的性能，甚至烧坏滤波器。由于滤波电容的最高工作温度受到限制也是＋８５℃。
我们应该根据实际可能的最大工作电流和工作环境温度来选择滤波器额定电流。
图10 居里点温度曲线图11 额定电流与温度的关系
工作电流、额定电流与环境温度之间存在如下关系：
式中：Ｉp——容许的最大工作电流；
ＩＲ——室温＋２５℃时的额定电流；
Ｔmax——容许的最高工作温度，＋８５℃；
Ｔa——环境温度；
ＴＨ——室温（＋２５℃）。
也可用曲线表示（参见图１１）。曲线表示Ｉp/IR∝Ｔa。
举例说明：＋２５℃Ｉp＝IR；+45℃
Ip=0.816IR；＋５５℃
Ｉp=0.5IR；+85℃Ｉp＝０.0
因此，要根据工作温度来正确选择滤波器的额定电流；或者用改善滤波器的散热条件（工作环境）来确保滤波器的安全使用。这样，滤波器务必安装在有散热作用的机架、机壳上，切忌安装在绝缘材料上。
３耐压、泄漏电流与安全
3.1耐压与安全
由于ＥＭＩ滤波器安装在ＡＣ电网的输入端，所以除了承受开关电源（滤波器的负载）产生的尖峰脉冲干扰电压外，还要承受来自电网的浪涌电压（电流），特别是浪涌电压，其持续时间长（ms级），能量大（２０００伏浪涌电压是经常出现的）。这些干扰电压由滤波器的Ｃx、Ｃy 承受。因此，要求使用专为ＥＭＩ滤波器设计的Ｃx、Ｃy。目前，据了解，因内尚没有这类电容器生产厂家。
电容Ｃx或Ｃy被浪涌电压击穿产生的后果，是Ｃx被击穿短路，相当于ＡＣ电网被短路，至少造成设备停止工作；Ｃy击穿短路，相当于将ＡＣ电网的电压加到设备的外壳，它直接威胁人身安全的同时，波及所有与金属外壳为参考地的电路安全，往往导致某些电路的烧毁。
国际上，耐压的安全规范各主要工业国家有所区别，表１供参考。
表１耐压安全规范
国家和测试机构测试标准
高压测试R-绝缘
KV(1Min.) Hz
P.N→E
P→N
106Ω V（1 Min.)
德国
VDE
0565.1
0565.2
4,3 · Vn
1.5
50
P→Ｎ
P.N→E
1500
2000
100
100
0565.3
瑞士
SEV
1055.1978
4,3 · Vn
2·Un+1,5
50
P→Ｎ
P.N→E
6000 100
瑞典4432901 4,3 · Vn
2·Un+1,5
50
P→Ｎ
P.N→E
6000 100
英国
BS 613
BS 2135
4,3 · Vn
1.5
2.25
50
P→Ｎ
P.N→E
20 100
加拿大
CSA
C 22.2
No.8-M1982
(2Vn+0.5)1,4/4
≥1，414
2Vn+1
60
P→Ｎ
P.N→E
6000/N
N=number
Cond.11
100
美国UL 1283
1,0
1,414
1,0
1,414
60
60
P→Ｎ
P.N→E
2
-
250
-
举例说明：
德国ＶＤＥ0565.2高压测试（ＡＣ）Ｐ，Ｎ→Ｅ 1.5ＫＶ／５０Ｈｚ１分钟
瑞士ＳＥＶ１０５５高压测试（ＡＣ）Ｐ，Ｎ→Ｅ２·Ｕn＋1.5ＫＶ／５０Ｈｚ１分钟
如最大工作电压Ｕn＝２５０Ｖ（ＡＣ），则２·Ｕn＋1.5ＫＶ＝２ＫＶ
美国ＵＬ１２８３高压测试（ＡＣ）Ｐ，Ｎ→Ｅ１ＫＶ／６０Ｈｚ１分钟
可见，共模电容Ｃy的耐压测试条件（瑞士）ＳＥＶ１０５５比（美）ＵＬ１２８３高出一倍。
德国ＶＤＥ0565.1高压测试（ＤＣ）Ｐ→Ｎ 4.5ＶnＫＶ１分钟
如最大工作电压Ｖn＝２５０Ｖ（ＤＣ）则
4.3·Ｖn＝4.3×0.250×2根号２＝3.040ＫＶ１分钟
瑞士ＳＥＶ１０５５高压测试（ＤＣ）Ｐ→Ｎ４.3ＶnＫＶ１分钟
美国ＵＬ１２８３高压测试（ＤＣ）Ｐ→Ｎ 1.414ＫＶ１分钟
可见，差电模电容Ｃx的耐压测试条件，瑞士也比美国高出一倍左右。
这里要说明的是
a.Ｐ→Ｎ耐压测试采用直流电压的原因是因为Ｃx容量较大。如采用交流测试，则耐压测试仪要求电流容量大，造成成本高，体积大。采用直流电压测试就不存在这种问题。但要将交流工作电压换成等效的直流工作电压。如最大交流工作电压２５０Ｖ（ＡＣ）＝２５０×2根号２＝７０７Ｖ（ＤＣ）直流工作电压。所示ＵＬ１２８３安全规范１４１４Ｖ（ＤＣ）＝２·Ｖn。
b.国际著名滤波器专业厂说明书中耐压测试条件
美国Corcom公司Ｐ，Ｎ→Ｅ２２５０Ｖ（ＤＣ）１分钟
Ｐ→Ｎ１４５０Ｖ（ＤＣ）１分钟
瑞士Ｓchaffner公司Ｐ，Ｎ→Ｅ２ＫＶ（ＡＣ）１分钟
Ｐ→Ｎ不测１分钟
国内滤波器专业厂一般参考德国ＶＤＥ安规或参考美国ＵＬ安规。
３.2 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到地端的泄漏电流要尽可能的小，否则将危及人身安全。图１２描述了一
路泄漏电流通过人体构成大地回路的情况（图１２中Ｅ表示滤波器的接地点，
ＦＧ表示机架的接地点）。对地电容应为Ｃ１和杂散电容之和。实际上，通
过人体的泄漏电流是两路，所以滤波器泄漏电流应为一路泄漏电流的两倍。
设备中使用的滤波器愈多，泄漏电流也愈大。因此，千万要加以注意。
图12 泄漏电流通过人体示意图同样，国际上泄漏电流的安全规范，各主要工业国家也有所区别，表２供参考。
表２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
UL478
UL1283
5mA,120V,60Hz; 0.5~3.5mA,120V,60Hz
加拿大C22.2 No.1 5mA,120V,60Hz
瑞士SEV 1054-1
IEC 335-1
0.75mA,250V,50Hz
德国VDE 0804 3.5mA,250V,50Hz
这里要说明的是：
a.泄漏电流直接和电网电压、电网频率成正比。因此，对于４００Ｈｚ电网
频率要特别注意，否则在相同电网电压的情况下，同一滤波器的泄漏电流要
增加８倍（对于５０Ｈｚ），很可能不符合安规要求。
b.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（如图１
３所示）。测量时，滤波器金属外壳不能接地，一定要悬浮。
c.三相滤波器的泄漏电流应是各相泄漏电流之和。
图13 国际规范的泄漏电流测量电路
４正确安装方法
a.为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），除滤波器一定要安装在设备的机架或机壳上外，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点
取得一致，并尽量缩短滤波器的接地线。
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，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，它能导致滤波器高频衰减特性的变坏。所以，金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。如外壳喷过漆，则必须刮去漆皮；若金属外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳滤波器时，它与设备机壳的接地线应可能的短。
（a）不正确的安装方法（b）正确的安装方法
图14 滤波器的安装方法
b.滤波器要安装在设备电源线输入端，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，在高频端输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分（参见图１５）。若设备内部电源安装在滤波器的输入端，由于连线过长，也会导致同样的结果。
c.确保滤波器输入线和输出线分离
若滤波器输入、输入线捆扎在一起或相互安装过近，那么由于它们之间的耦合，可能使滤波器的高频衰减降低。若输入、输出线必须接近，那么都必须采用双绞线或屏蔽线。
d.要将噪声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一个机壳内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接各自的噪声滤波器，否则在机壳内，这些单元中的每一单元的噪声都会传导给其他单元（参见图１６）。
图15 图16