下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
1.电源滤波器概述
当前电能的利用越来越广泛，用电设备也越来越多，而在用电设备中又大量采用了低功耗、高集成度和高速的集成电路，这使得设备的电磁干扰问题变得日益突出。
在电磁干扰的传播途径中，电源线往往是最重要的媒介，因为电源线的长度（包括设备的电源进线和电力传输的架空线延伸在内）足以构成接收高频电磁干扰的有效被动天线（电源线的长度达到高频电磁干扰波长的 1/4）。此外，电网内的各种设备开、关和运行中形成的骚动也在电网中形成传导性干扰。上述干扰对电网内敏感设备的可靠工作造成严重威胁。
电磁干扰在电源线上的传输是以两种模式进行的：一种是差模形式，在线（L）-中线（N）中传播；另一种是共模形式，在线（L）-地（G）及中线（N）-地（G）两条路径上出现。
电源线滤波器就是安装在电源线和设备之间的一个专门用来抑制电磁干扰传播的器件，它的作用实际上是双方向的，既能阻挡设备自身工作中产生的电磁骚扰经电源线进入电网，从而传输到其他敏感设备，又能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备，引起电磁干扰故障，所以电源线滤波器是抗干扰和骚扰抑制中都用得着的一种器件。
2.电源滤波器电路分析
如图5-30所示的电路是一个典型电源线滤波器电路。
（1）C 1 、C 2 为共模滤波电容，跨接在零线和火线与滤波器的外壳之间，对共模电流起旁路的作用。受到漏电流的限制，共模滤波电容一般在10nF以下。
（2）C 3 、C 4 是差模滤波电容，跨接在零线和火线之间，对差模电流起旁路作用，电容值一般为 0.1～1μF。如果干扰的频率很低，电容可以更大，但需要占用更大的空间。另外，差模电容过大会导致设备通电的瞬间产生很大的冲击电流。
（3）L 是共模电感，但是也有一定的差模电感成分，能对共模电流和差模电流起抑制作用，电感量范围为 1mH 至数十 mH，这主要取决于要滤除的干扰的频率，即频率越低，需要的电感量越大。
如图 5-31 所示，图 5-30 中的电源线滤波器电路可以分解成共模滤波电路和差模滤波电路两部分。对于差模干扰而言，这是一个π形滤波电路，对于共模干扰而言，这是一个Γ形滤波电路。
图5-30 典型电源线滤波器电路
图5-31 电源线滤波的差、共模等效电路
图 5-30 所示的电源线滤波器的插入损耗示意图如图 5-32 所示，实际滤波器的具体数值取决于电容和电感的数值。关于这个插入损耗示意图有以下几点需要说明。
（1）由于漏电流限制，共模滤波电容不能过大，共模滤波的截止频率主要由共模电感的电感量决定，共模电感的电感量一般较大，因此滤波器的共模插入损耗在低频段较大。
（2）差模电感是利用共模电感的漏磁来产生的，电感量较小，差模滤波的截止频率主要取决于差模电容的容值。
（3）差模滤波等效电路的阶数比共模高，因此过渡带更加陡峭。
（4）插入损耗在 1MHz 以上开始减小，这是因为滤波器中的电感和电容非理想性，以及电路中存在着分布电容。
对于交流电源线滤波器，漏电流是一个重要的指标。漏电流是指当滤波器的外壳接大地时流过接地线的电流，如图 5-33 所示。这个指标之所以很重要，因为电源线滤波器安装时其外壳一般与机箱相连，如果机箱是金属的，并且没有安全接地，当人触及金属机箱时，人就充当了接地线，电流会流过人的身体，当这个电流过大时，就会对人造成伤害。用于普通设备的滤波器的漏电流不能超过 3.5mA；用于医用设备的滤波器，由于医用设备要直接接触人体，因此漏电流限制更严，这也是导致医用设备的电磁兼容更难的一个原因。
图5-32 典型电源线滤波器的插入损耗示意图
图5-33 漏电流的定义
对于图 5-30 所示的滤波电路，漏电流主要由 C 1 、C 2 决定。C 1 、C 2 的容抗决定了漏电流的大小。如果要满足3.5mA漏电流的限制，C 1 、C 2 容值的确定方法如下：
设 C 1 =C 2 ，由于总的漏电流等于每个电容的漏电流之和，因此允许每个电容的漏电流仅为3.5/2=1.75（mA）。
IUZU fCC=/=2π 1.75 mA＜＜1.75/2πfU=1.75/(2π 50 200) 0.027(μF)××=
需要注意的一点是，这里的电容量限制值是每根电源线与外壳之间的总电容量。也就是说，当滤波电容更多时，每个电容的容量还要减小，由于共模滤波电容可能直接接触人体，因此必须使用可靠性很高的 Y 级别的电容。这种电容是绝对不允许发生击穿短路而造成人身伤害的。
在一般的滤波器中，共模扼流圈的作用主要是滤除低频共模干扰。在高频时，由于分布电容的存在，对干扰的抑制作用已经较小，主要依靠共模滤波电容，医用设备由于受到漏电流的限制，有时不能使用共模滤波电容，这时，就需要提高共模扼流圈的高频特性。
3.如何提高滤波效果
图 5-30 所示是一个基本的滤波器电路。这种基本电路对干扰的滤波效果很有限，仅用在要求较低的场合。要提高滤波器的效果，可在基本电路的基础上增加一些器件，下面列举一些常用电路。
（1）加强共模滤波。在共模滤波电容右边增加一个共模扼流圈，对共模干扰构成 T 形滤波，这样可以使过渡带更加陡峭。
（2）加强差模滤波。
方法一：把两只差模扼流圈与共模扼流圈串联，以增大差模电感，这样可以改善低频的差模插入损耗。
方法二：加强差模滤波方法之二。在共模滤波电容 C 1 和 C 2 的右边增加两个差模扼流圈，并在差模扼流圈的右边增加一个差模滤波电容，这相当于增加了差模滤波电路的阶数。
（3）强化共模和差模滤波。在共模电容右边增加一个共模扼流圈及一个差模电容。
一般情况下不使用增加共模滤波电容的方法来增强共模滤波效果，因为这时如果滤波器的接地阻抗较大，会导致滤波性能变得很差；并且增大共模电容的容量还会使漏电流有所增大，导致安全问题。
理论上，电源线滤波器应该可以有效地衰减直流和交流电频率以外所有频率的信号，以滤除所有可能出现的干扰信号频率。但有经常使用电源线滤波器的工程师可能会发现，绝大多数的电源线滤波器手册都只给出了 30MHz 以下频率范围内的衰减特性。这是因为大部分电源线滤波器的插入损耗在超过 30MHz 时都会降低，之所以会有这样的情况，主要是因为安装电源线滤波器的目的是通过电磁兼容标准中的传导发射试验，而该试验的最高频率仅到 30MHz （某些军用标准的传导发射仅要求到 10MHz），所以没有必要规定30MHz以上的特性。
可是这样做必然会导致一个问题，那就是虽然传导发射本身只限制到 30MHz，但是电源线上更高频率的传导发射会产生辐射发射，造成设备在辐射发射试验中失败。因此，提高电源线滤波器的高频滤波特性对于使设备顺利通过辐射发射试验（一些军用标准中的辐射试验）具有重要的意义。
在有些电磁兼容标准中要求对电源线做功率发射试验。在这个试验中，用功率吸收钳测量电源线上发射功率，频率范围为 30～300MHz。这个试验实际上是检验电源线的辐射功率，如果滤波器的高频特性不好，这个试验是无法通过的。