EMI提高电源线滤波器高频特性的方法

提高滤波器的高频插入损耗对于保证设备的电磁兼容性十分重要,特别是对于军用设备。电源线滤波器的高频插入损耗特性对于保证其通过军品RE102试验具有重要的意义。

首先,电源线滤波器应该被屏蔽起来,没有屏蔽的滤波器可能会导致设备辐射发射超标。这是因为,机箱内部的干扰会直接感应到滤波电路中,使滤波器失去应有的效果。

比如某台设备进行传导发射试验时,发现有超标现象,经过诊断确定为共模电流发射超标。于是在机箱外部的电源线上串联了一个共模扼流圈。再次测试,通过标准要求。但是在正式产品中将这个共模扼流圈放置在机箱内部时,设备又不能通过测试要求了。

这是因为共模扼流圈在机箱外,由于机箱的屏蔽隔离作用,它起到了阻止共模电流的作用。但当他被放置在机箱内部时,机箱内的干扰可以直接耦合到它的前端,甚至直接耦合到它的上面,就达不到效果了。

如果电源线滤波器有了屏蔽盒,就避免了外部干扰直接耦合进滤波电路,这时关注点要放在提高滤波本身的性能上。改善滤波器的高频特性主要从以下几个方面考虑:

(1)设计高频特性较好的电感,必要时可以用几个电感串联起来使用。

(2)使用高频特性较好的电容,连接电容时,注意控制电容的引线长度;必要时使用穿心电容作为共模滤波电容。

(3)采用多级滤波电路

(4)内部采用隔离结构,消除滤波器输入、输出之间的耦合。

(5)滤波器采用面板安装式的结构,消除滤波器输入、输出之间的耦合。

导致滤波器高频特性降低的一个主要原因是电路内部寄生参数造成电路前后之间的耦合。为了克服这个问题,滤波器内器件的布局十分重要,要避免滤波器的输入端和输出端之间的耦合问题。实际安装时,滤波电路中的器件要按照器件在电路中的顺序摆放,如果前后交叉会导致高频滤波性能严重降低。

另外,器件之间的距离对于滤波器的高频特性也有明显的影响,前后级的器件靠得越近,滤波器的高频性能越差。因此,在空间允许的条件下,电路前后的电感与电容之间应保持一定的距离,必要时可设计一个隔离板,减小空间耦合,隔离板要与滤波器的金属外壳在若干点上连接起来。如果使用穿心电容作为共模滤波电容,由于穿心电容安装在隔离板上,自然提供了良好的空间隔离。

在实际应用中,设计工程师为了节省空间,将滤波电路直接安装在线路板上,但是结果往往达不到预期的效果,不能顺利通过测试。导致这个结果的原因如下:

(1)滤波器安装在线路板上时,空间的一些干扰会直接耦合进滤波电路以及滤波器的输出,特别是当滤波器电路的布线不当而形成较大的接收环路面积时,空间干扰会在滤波器中形成频率较高的差模电流,大部分滤波器对这种频率较高的差模电流抑制能力很差。

另外,有磁芯的电感往往也是磁场的易感器件,外界磁场容易进入到电感中。以上这些因素导致滤波器的输出中有较多的高频成分。

(2)大部分的线路板PCB设计工程师不了解电源线滤波器的原理,不能进行最佳布线。常见的错误是共模滤波电容的接地引线过长,甚至不将共模滤波电容的地线连接到设备外壳上。

因此,将滤波器安装在线路板上,要获得良好的滤波效果并不是一件容易的事情,要妥善处理好上述问题才行。

比较简单的方法就是选择带金属壳的滤波器成品,在安装的位置,将其外壳直接连接到设备的机箱底板上。

1)滤波器的安装方式

2)成品滤波器选择的误区

电源线滤波电路虽然简单,但是要设计具有预期效果的滤波器并不容易。因此,大部分场合选用成品滤波器比较简单。一方面成品滤波器都封装在金属外壳内,可以避免空间干扰直接耦合的问题。另一方面成品滤波器都是经过精心设计和组装的,滤波器效果比较理想。下面再分析一些在滤波器选择中常见的误区。

误区一:滤波器的级数越多,干扰滤波得越干净

滤波器的级数越多,过渡带也越短,高频的插入损耗越大,而低频段的插入损耗不见得满足要求。如果干扰的频率低于这个滤波器的截止频率,则级数再多也不管用。

误区二:滤波器中的电感或电容值越大,干扰滤除得越干净

电感或电容的数值越大,只表明这个滤波器的截止频率更低,对频率较低的干扰更有效,而不能说明高频的滤波效果好。实际应用中,由于电感量越大,电感的高频特性往往越差,因此一个具有较大电感量的滤波器,往往高频的滤波效果较差。

误区三:滤波器的体积越小越好

滤波器的体积小意味着这个滤波器中采用的电感、电容的体积都比较小,并且安装得比较紧凑。电感、电容的体积小一般是以减小电感量、电容量为代价的,因此牺牲的低频滤波性能;器件安装得很紧凑,增加了空间耦合,牺牲的是高频滤波性能。因此,体积很小的滤波器往往滤波性能欠佳。

误区四:用交流滤波器可以替代直流滤波器,用在直流供电线上

从安全上讲是没有问题的,但代价是更高的成本、较低的滤波性能、更大的安装空间。交流滤波器由于受到安全规范的限制-耐压、漏电流、绝缘等方面,所使用的器件体积较大、共模滤波电容取值较小,因此,同样的额定工作电流条件下,交流滤波器的性能差得多,体积大得多,价格也高得多。

误区五:只要滤波器的电路相同,他们的性能就相同

滤波器的电路结构和参数只是决定了滤波器在较低频率-1MHz以下的特性,而滤波器的高频特性与电感的构造-磁芯及绕制方法等、电容的种类-普通电容、三端电容、穿心电容等、电路的安装方式等因素密切相关。高频特性对设备的辐射发射影响更大。

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