电源供电质量对EMI滤波器的可靠性和敏感度的影响

现在，各种电子设备在居住、商业和工业环境中普遍存在，而且这些设备还依赖于日益复杂的模拟数字电路和可靠的输入电压。这些趋势更加强调了传导发射滤波器在未知电气环境中正常使用的必要性。终端用户设备的制造商们不会依靠某一种标准形式的滤波器。相反，这些设备可能会使用现成的或者用户自己设计的滤波器。无论使用何种形式的滤波器，滤波器本身必须可靠。滤波器的可靠性是一个重要但涉及面很广的概念。一个可靠的滤波器必须限制设备产生的传导干扰，必须在出现过电压的普通电气环境中保证滤波器的衰减和插入损耗，必须对滤波器后面的电子设备提供高质量的电压。

射频（RF）照明传导干扰发射标准概述：限值线和安全裕量

在终端设备领域，一件设备必须和公共电网或者日常环境中的另外一件设备相连，其传导干扰必须控制。在美国，联邦通信委员会（FCC）起草的限值对可以向供电电源注入的传导发射的水平进行了控制。对终端设备中连接设备的控制电缆或者其它低压电缆，FCC 并没有限制其可以注入的传导发射水平。因此，对于其市场推广和使用仅限于美国的终端设备而言，不要求对控制电路使用EMI 滤波器。在欧盟（EU），各类设备要求的可能注入交流电源线的传导发射水平更低。这些标准由国际电工委员会（IEC）起草和发布，包括采用更严格的限值以防止无线设备或其它电子设备出现EMI 问题。因此，对那些在欧洲市场推广和使用的终端产品，EU 限制其控制电路的传导发射和要求对控制电路使用EMI传导滤波器就不会太令人惊奇了。

表一 对电子（RF）照明设备的传导限直线

对用于居住、商业和工业环境下的射频（RF）照明设备的传导发射，FCC 和IEC 的允许水平如表１所示。显然，从表１可知FCC 和IEC 的要求有诸多不同，例如，发射的水平、参考的频带、所涉及设备的类型、操作的环境等。一般来说，用于居住环境的射频照明设备，要求其具有更低的发射水平，而对于商业和工业环境中使用的设备而言，其允许的发射水平更高。

显然，设计和使用EMI 滤波器的目的是为了保证传导发射水平在各个管理部门发布的限制水平之下。但仍然有一些滤波器在设计上没有为终端设备的传导发射留出足够的裕量以防止其超过限值。例如，不管是FCC 的第18 部分还是CISPR15 都没有规定任何具体的传导发射安全裕量。从技术上讲，当滤波器的设计者和EMC 测试工程师需要决定传导发射水平和限值能够接近到何种程度时，这种规定的缺失将会产生一种EMC 的“边缘危险处境”。

图１显示了一个电压208 伏、满负荷工作的电子镇流器的传导发射的测量实例（曲线１）。在该实例中，安全裕量是5.33dBμV（60-54.67 dBμV）。尽管这种裕量会随样品的不同而发生几个dB 的微小变化，但它不会小到令发射水平超过限值的程度。传导发射水平一般还是处于限制线之下的。但在实际情况下，EMI 滤波器的元件会因为时间、设备使用和暴露在电磁骚扰（例如：浪涌电压）之下而老化。此时，因为老化和暴露在浪涌电压之下，干扰将会逐渐增大；即使有压敏电阻（MOV）的保护，干扰还是会超过限值，即：幅度在MOV 钳制电压以下的电磁骚扰会通过MOV 进入滤波器，降低X 电容及Y 电容的性能，并影响频带内任何位置的发射水平。

基本和高级EMI 滤波器的拓扑结构

像其它的电子设备一样，电磁干扰（EMI）滤波器也是从非常简单的拓扑结构发展到非常复杂的拓扑结构的。滤波器的简单或复杂取决于对期望的滤波器衰减特性和设备所允许的泄漏电流方面灵活性的要求，而它们决定了滤波器所需的级数和元器件。用无源器件（一般是指电感和电容）构造滤波器时，只用一个电感和电容是无法在一个宽的频带内提供理想衰减的。因此，所设计滤波器中的若干元件和各级需要联合工作，从而在一个特殊频带内对各个感兴趣的频率点提供必要的衰减（或插入损耗）。如果一个或者多个元器件的阻抗因为电磁骚扰而被损坏，滤波器的整体性能会开始零星下降；而且，相对其它范围内而言，在某些频率范围内的性能下降会更严重。（规定滤波器元件是诸如电容、电感和电阻一类的有损耗的无源器件。规定滤波器中的某一级是指一组滤波器的元器件，它们作为一个网络协同工作，其消耗的功率取决于噪声发射电流的幅度和频率。）

表２给出了一些基本滤波器和高级滤波器的拓扑结构图。一级和两级的滤波器是典型的基本滤波器，而三级滤波器被认为是高级滤波器。如果终端设备具有简单的传导发射特性和低传导发射水平，那么基本拓扑结构滤波器就可以保证传导发射水平处于各部门发布的限值之下。相反，如果终端设备具有复杂的传导发射信号、高传导发射水平和低泄漏电流限值，那么就必须使用高级滤波器。

表２给出EMI 滤波器的复杂程度各不相同，但其中有一个重要的发现，即尽管线间电容（X电容）不总是第一个暴露在电气骚扰之下的元件，但在大部分滤波器应用中，第一个元件总是X 电容。滤波器的复杂程度是随着终端电子设备本身的复杂程度的提高而提高的。例如，使用开关电源和若干种数字电路的设备要比使用线性电源、模拟电路的设备复杂。因此，使用开关电源和多处理器的设备就需要更复杂的滤波器。类似的，在大型电子系统中各级设备也根据其复杂程度选择使用滤波器。

从系统电磁兼容的角度来看，EMI 滤波器也起着基础性的作用，即设备中设计使用的滤波器可以限制注入交流电源的传导发射的水平。因为它们被放置在和交流电源相连的位置，所以滤波器在保证交流电源供电质量的系统电磁兼容中发挥着基础性的作用。EMI滤波器必须可靠，必须按设计工作，其功能不能受电源供电质量的影响。另外，因为滤波器在交流电源上的位置，它们不能输出低质量的供电电压。EMI 滤波器和设备的设计人员应该认识到EMI 滤波器的输出是为后续电子设备的工作提供电压的。这些后续电子设备开始通常是一个桥式整流器。如果EMI 滤波器输入电压出现异常从而导致滤波器本身性能的下降，那么滤波器提供给后续电子电路的电压质量也会随之进一步下降。

供电质量对滤波器可靠性和滤波器性能的影响EMI 滤波器的性能及其可靠性对一台设备的正常工作非常重要。滤波器通常放在设备交流电源输入的电路上。EMI 滤波器尽可能的放置在靠近交流输入的地方就是为了在设备接入交流电源之前有效衰减设备所产生的传导噪声。

根据在交流输入回路中位置的不同，滤波器也会受到不同程度的输入电磁骚扰的破坏。可以对EMI滤波器造成损坏的电磁骚扰不局限于浪涌电压、瞬态电压、暂态过电压和骤升电压等类型的过电压。电压畸变、陷波电压和各种类型的欠压也能造成滤波器的永久损坏。本文将会以浪涌电压、瞬态电压、暂态过电压和电压畸变为例分析其影响。图２给出了在某个单相终端设备的交流输入电路中EMI 滤波器的典型位置。从中可见，电源线上的保险丝、超温限制器（如果使用的话）和MOV 一般处在EMI 滤波器之前，也不属于滤波器。保险商实验室（UL）要求把交流电源线上的保险丝放在MOV 之前，从而在MOV 短路的情况下为设备提供过流保护。如果MOV 短路，那么线路保险丝就会跳开。

MOV 的放置

金属氧化物变阻器（MOVs）在保护终端设备免遭浪涌电压破坏的过程中仍然起着关键的作用。因为在交流输入电路中MOV 和EMI滤波器必须放在一起（其中MOV通常放在EMI 滤波器的前面），所以它们的综合表现和相互作用对其保护功能的实现也起着关键的作用。这种保护不仅包括防止设备受到电磁骚扰的影响，还包括防止EMI 滤波器受到影响。除了保险丝和MOV 之外， 无源器件构成的EMI 滤波器是第一个面临过电压的，即瞬态或者暂态过电压（TOV）。如果过电压没有触发MOV 动作（钳制骚扰），那么过电压就会通过MOV，其全部能量就会进入EMI 滤波器。过电压的能量也不会被MOV全部消耗，大部分能量还是会通过MOV 进而被EMI 滤波器中的元器件消耗。

不幸的是，所有的设备设计人员都不会把MOV 放置在EMI 滤波器之前。有些设计人员还会把它们放在EMI 滤波器的后面。在这种情况下，EMI 滤波器不会得到MOV 的过电压保护，因此EMI 滤波器也更容易受到过电压的影响。电感闪络和电容类似，电感必须被设计成能够经受过电压，这些电压可能会在瞬态或者稳态电压的情况下出现。在设计和标定EMI 滤波器中的电感的时候，大部分设计人员都会以电感、泄漏电感以及用于绕制电感的导线上的额定电流为关键参量。用于绕制电感的导线和其它的标准导线不同，它们会经过某些溶液（通常是特制漆）的浸泡。将其做成漆包线的目的是为了提供绝缘、实现各个绕组间的电气隔离，从而使电感两端能够建立一定的电压。

但是电感（整个绕组）上建立的电压并不是随着绕组的数量（导线长度）而线性变化的。这种非线性会导致在那些更靠近磁芯的绕组上产生更高的电压。而这种非线性的原因是相对于靠近电感外层的末端绕组而言，和靠近磁芯的绕组交联的磁链更大。如果在为电感的绕组选择绝缘漆包时没有考虑这种电压的升高，那么就有可能因为绝缘（漆包层）损坏而导致电感闪络。而且，因为靠近磁芯处绕组出现的温度过高也可能加速漆包层的损坏。例如，当电感受到损伤后，因为漆包层受到机械力的作用，这种效应会更加显著。当发生电感闪络时，绝缘被破坏，电感的部分绕组被短路，并导致电感的完全故障。除此之外，电感开路并导致终端设备故障的情况极少发生。在电感完全故障的情况下，EMI 滤波器经过某些溶液（通常是特制漆）的浸泡。将其做成漆包线的目的是为了提供绝缘、实现各个绕组间的电气隔离，从而使电感两端能够建立一定的电压。

图3 屏蔽的MEI 滤波器中Y 类电容故障实例

但是电感（整个绕组）上建立的电压并不是随着绕组的数量（导线长度）而线性变化的。这种非线性会导致在那些更靠近磁芯的绕组上产生更高的电压。而这种非线性的原因是相对于靠近电感外层的末端绕组而言，和靠近磁芯的绕组交联的磁链更大。如果在为电感的绕组选择绝缘漆包时没有考虑这种电压的升高，那么就有可能因为绝缘（漆包层）损坏而导致电感闪络。而且，因为靠近磁芯处绕组出现的温度过高也可能加速漆包层的损坏。例如，当电感受到损伤后，因为漆包层受到机械力的作用，这种效应会更加显著。当发生电感闪络时，绝缘被破坏，电感的部分绕组被短路，并导致电感的完全故障。除此之外，电感开路并导致终端设备故障的情况极少发生。在电感完全故障的情况下，EMI 滤波器要求开断，就会导致潜在的致命电击。
对于标称电压为120V 的终端设备，X 和Y 电容会具备交流250V 的稳态标称电压。这种标称的电容对于用于美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及其它使用230V 或240V 电压国家的设备而言是可以接受的。但是，标称电压为250V的X 和Y 电容不能被用在标称电压为277V 的终端设备中，例如电子照明镇流器和可调速驱动器。标称电压为交流277V 的终端设备中应该使用标称值为440V 的X 和Y 电容。

图4 （左）从电子镇流器供电的顶试图可见出现故障的X 电容；

（右）从X 电容的放大视图可见内外绝缘材料的分离的情况

X 和Y 类电容在终端设备和EMI滤波器设计中被视作安全电容。这些电容可以被分成不同的几类。对X 电容而言， 有三类：X1，X2 和X3。对Y 电容而言，有四类：Y1，Y2，Y3 和Y4。大部分终端设备既会用到X1 或X2 电容又会用到Y2 电容。其中，X1电容的脉冲测试电压为4000V，X2 电容的脉冲测试电压为2500V，Y1 电容的脉冲测试电压为8000V，Y2 电容的脉冲测试电压为5000V。

X2 和Y2 电容是最常用的电容，在接到120V 插座上的设备中也经常能发现它们。X1 和Y1 电容通常用在大负荷工业终端设备上，例如工业计算机、工业电子镇流器（应用在208V 或277V 的交流三相系统中）。在EMI 滤波器设计中，X1 和Y1电容价格更高，体积更大，其原因是使用了更多的绝缘材料以承受更高的脉冲电压。为了承受更高的电压，Y 电容必须更加牢固可靠，因为其一脚和地相连。它们被设计成可以可靠开断。Y 电容一般不会被当作X 电容使用，因为Y 电容一般更大更昂贵。某些电容有双重标称X1/Y2，即意味着它们既满足X1 又满足Y2 的安全要求和标准。

图3 给出了一个发生故障的Y 类电容（穿馈式陶瓷电容）的例子。设计中该电容被放置在两级滤波器之间，用来提高传统的印制板安装式Y 电容器的滤波效果。图片底部的燃烧点就是发生故障电容所在的地方。该故障是因为浪涌电压造成电源线（图中电容中心接头上所接的白线）和接地电容外壳之间发生电击穿而造成的。图3 中有两个穿馈式的Y 类电容。通过改进电源线与穿馈电容接头之间的焊接方法，可以提高滤波器的性能。

图4 给出了电子荧光灯镇流器中一个发生故障的X 类电容的例子。明显，靠近共模电感线路侧的X 类电容发生了故障。该电容被放置在电源线和中线之间。该故障是由过电压（即，浪涌电压）造成的。该镇流器中并没有使用MOV进行浪涌保护。X 类电容：浪涌引起的滤波器谐振效应X 电容是直接跨接在电源线之间或者放置在电源线和中线之间的电容。工作中，X 类电容两端一直加着电源电压；在绝缘材料没有被破坏的情况下，电容需要在该电压下正常工作。接到电源电压上的X 类电容必须要能够在滤波器中起到滤波的作用。换句话说就是，X电容必须能够承受电源电压的各种影响。

但是，电源电压不是X 类电容承受的唯一电压。X 类电容必须能够承受出现在电源线间的任何电压，即三相电源系统应用中的线（相间）电压以及单相电源系统应用中的相电压。谐振效应产生的过电压也会加在X电容上。这种效应可以通过施加包括振铃波和混合波电压在内的浪涌电压的方法来模拟。这些浪涌电压包含能够引起滤波器元件谐振的某些特性频率。滤波器元件的谐振效应会导致元件两端所承受的电压升高。在某些情况下，这些电压甚至会超过X 电容所能承受的极限电压。

在图5 给出的实例中滤波器（用两个共模电感的C-L-C-L-C 型滤波器）输出出现谐振。当在滤波器的输入端加1000V 的混合波浪涌电压时，输出端会出现1.6 倍于输入电压的输出电压。这种电压增益在多级滤波器中并不罕见，可能会对滤波器后面的电子部件造成损坏。设备的设计人员在为多级滤波器选择电感和电容的时候会错开其谐振点，或者在滤波器的输出端放置大小合适的MOV 以钳制被放大的输出电压。图6 给出了在混合波浪涌电压作用下被损坏的一个简单EMI 滤波器的例子。图片显示，不论是电源线一侧还是负载一侧的X 电容都被破坏。电源线一侧的X 电容承受了1000V 的浪涌电压。该电压被滤波器放大后在负载端的X 电容两端形成更高的电压（1600V，如图5 所示）。

图6 在浪涌测试中出现谐振过电压的EMI滤波器的实例（顶图）滤波器电源一侧被损坏的X 电容（中图）通过滤波器侧视图可见中间的X 电容没有被损坏（底图）滤波器负载侧被损坏的X 电容

图7 用于EMI 滤波器的印刷电路板上的走线和接地面（滤波器的屏蔽壳）之间发生绝缘击穿的实例

间隔

在EMI 滤波器设计中，电气上的间隔是非常重要的。焊盘之间、器件导线之间、器件外壳之间、接地表面之间保持适当的间隔将会有助于避免滤波器内的击穿。任何表面和边角之间都有可能发生绝缘击穿。通过对器件之间间隔的设计和器件布局上的安排，设计人员可以防止滤波器在最大线电压（在277V 系统中即305V）或诸如高压测试中所规定的安全电压的作用下发生击穿。但我们也会突然发现：浪涌测试中，当浪涌电压低于MOV 的钳制电压时，绝缘击穿也会发生。该情况下，如果浪涌电姑挥写锏酱シOV 动作的程度，仍然需要防止电击穿在这些电压的作用发生，以避免EMI 滤波器遭受永久性的破坏。用高介电常数的介质可以防止绝缘击穿的发生。图7 给出了一个绝缘击穿的实例，其原因就是印刷电路板和EMI 滤波器屏蔽壳体之间的绝缘间隔不合理。

滤波器设计对设备敏感性的影响

电感饱和

在一定的频带上，滤波器通过共模和差模电感的使用提供感性的阻抗。必须通过滤波器的线电流也必定会通过这些电感。必须通过电感的负载电流的大小将影响电感提供感抗的能力。如果负载电流太大，电感会开始出现饱和。电感的饱和会对滤波器在100kHz 以下的性能产生重要的影响。在终端设备稳态工作情况下，滤波器电感可能会处于（或接近）饱和。此时，在设备的全部使用过程中，滤波器的衰减特性都会受到影响，直到负载电流下降到令电感不再工作在饱和状态下为止。在其它情况下，当负载电流发生波动，变化到饱和点的时候，电感会出现暂时的工作饱和。这种类型的电感饱和可能会发生在电压下降或瞬态干扰后的电压恢复过程中，此时刚刚开始恢复的电源电压会导致负载电流的暂时增加，并促使电感进入饱和状态。

图8 滤波器衰减特性随电感负载电流变化的实例

图8 给出了流经电感绕组的仅仅1 安培的负载电流对电源线滤波器衰减特性的影响。当频率大于1kHz 时，该电感的衰减特性受到了严重的影响。

图9 电源滤波器中的两个电感 左边的电感在小电流下出现饱和而右边的电感直到特定的滤波器额定负载电流时也没有出现饱和

图9 给出了电源线滤波器中的两个电感，该滤波器可能是用在设备屏蔽室或者核磁共振（MRI）屏蔽室上的。左边的电感在滤波器负载电流很低（1 安培）的时候就饱和了。这个电感使用的是粉末状的磁芯。右边的电感在负载电流高达60 安培时仍未饱和。和预计的恰好相反，它使用的是层压板钢和卷片式铁芯。

能耐受的TOV 电压和电容的电压标称暂态过电压（TOVs） 可能会达到原电压的2 倍。在277V 的交流系统中，2 倍电压就意味着554V 的有效值电压和783.4V 的峰值电压。对一个用于277V 系统的标称为交流440V 的X 类电容而言，2 倍于原电压的TOV 将会超过电容的标称。长时间内，若干TOV 带来的过电压会降低X 电容内绝缘材料的性能。因此，设备设计人员会希望利用MOV的钳制电压降低TOV 对X 电容的影响，或者选择标称更高的电容。

图10 电容切换及其影响直流电压输出的实例

电容切换带来的影响

在IEEE 所建议的用于低压交流电路（电压低于1000V）的浪涌特性实践中，由ANSI/IEEEC62.41.2-2002 所定义的基于电容切换的振铃波大部分都是因为电容组切换产生的。因为其持续很长，所以振铃波会在包括电子照明镇流器系统在内的电子设备中蓄积很高的能量。一般来说，在高暴露环境下，ANSI/IEEE C62.41.2 所定义的浪涌电压的幅度是标称电压峰值的1.8 倍；在中等暴露环境下，是标称电压峰值的1倍；而在低暴露环境下没有要求进行测试。因此，包括基本电压在内，测试中可能用到的所有浪涌电压之和的最大峰值（如果可行）是标称电压峰值的2.8 倍。当镇流器工作在切换的大电容组附近时，就需要考虑进行电容切换测试。在这个测试中，选择的浪涌峰值电压不会大于2 倍的标称电压峰值，这也是ANSI/IEEE C62.41.2 对这种测试的一般规定。电容可在几百赫兹到几千赫兹的频率切换，这将会激励由电容值很大的X 电容所组成的EMI 滤波器（例如：大于0.047 微法）。由此导致的谐振会将滤波器元件承受的电压放大并导致损坏。另外，它还会对终端设备的工作造成影响，即导致其直流总线电压的上升，如图10 所示。直流总线上表现出来的56V 的电压上升会很容易导致设备在过压状态下出现问题。

滤波器输出的平顶电压和电压畸变EMI 滤波器中的每一个元件在低频情况下（例如从60 赫兹到它的若干次谐波）都会导致电压下降，在高频时会出现发射滤波。在滤波器设计中，低频情况下的电压下降应该很小。但，EPRI 的系统兼容研究发现EMI 滤波器中的容性和感性元件会导致输出波形的显著畸变，会使得滤波器输出端出现平顶的60 赫兹正弦波。

表4 给出了有关三个滤波器在线性和非线性负载情况下的四个实例，其负载电流没有超过标称值。滤波器A 说明滤波器输出端接阻性负载可以获得低畸变的正弦波输出。滤波器B 说明滤波器在非线性负载（整流器和容性负载，这些负载和经常出现在电子终端设备中的相似）下可能出现的畸变和平顶波的情况。滤波器C 同样也是在非线性负载下输出电压质量出现了同样的问题，而且输出电压畸变的程度是和滤波器的负载有关的。例子中的滤波器B 和滤波器C 中用到的电感都很大，电容都很小。选择合适的电感和电容会有助于避免畸变和出现平顶电压输出。某些滤波器的电容量可以在合理范围内增加，直到其滤波器泄漏电流达到规定值。如果降低电感、增大电容也不能实现必需的衰减，那么就应该考虑在设计中再添加一级滤波器。当为终端设备设计和选择滤波器时，设计人员应该在设备所有各种负荷工作情况下检查其滤波器输出电压的质量。作为一个关键的保障，这个步骤必须在完成滤波器设计前进行。滤波器输出的平顶电压和电压畸变会大大降低电压的有效值，所以应该使设备对诸如电压跌落和瞬态电压之类的干扰具有更好的抗扰度。

结论

提供给终端设备的电压中包含有各种电磁骚扰，这些骚扰在低频（例如，60 赫兹）和高频（例如，高于1kHz）都会出现。EMI 滤波器的性能对于限制干扰发射起着非常重要的作用，而且它也影响着终端设备对电磁骚扰的敏感度。EMI 滤波器的设计人员如果没有研究滤波器元件的可靠性或者滤波器输出电压质量所造成的影响，那么他们很可能会发现自己需要分析设备和滤波器故障的原因，并重复滤波器的设计工作。