將模塊化 EMI 交流線路濾波器與應(yīng)用的直流電源需求相匹配

對于交流電源供電的設(shè)備，通常的做法是使用集成到連接器或作為底盤安裝部件安裝的模塊化交流線路濾波器，特別是在工業(yè)、醫(yī)療保健和 ITE 等專業(yè)環(huán)境中。該設(shè)備通常包括嵌入式交流-直流轉(zhuǎn)換器或電源，也可能安裝在底盤上，有時也可能安裝在機架或 PCB 上。在每種情況下，電源作為獨立部件始終會滿足輻射的法定要求，通常是針對傳導(dǎo)和輻射干擾的 EN55011/EN55032。但額外的過濾可能仍然是必要的。

經(jīng)驗豐富的設(shè)備設(shè)計人員早就知道，僅使用兼容組件并不能保證最終產(chǎn)品“通過” EMC 合規(guī)性。原因是多種多樣的。例如，設(shè)備 AC-DC 轉(zhuǎn)換器的一致性測試是在假設(shè)的 AC 線路阻抗、輸出負載、電纜長度和布線以及部件相對于地面的位置等非常具體的條件下進行的。當使用內(nèi)部安裝的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器對最終產(chǎn)品進行測試時，所有這些條件都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同的且通常更差的傳導(dǎo) EMI 特征。來自其他組件的輻射 EMI 也可能在電源線上被拾取，從而增加傳導(dǎo)水平。

模塊化濾波器可以實現(xiàn)系統(tǒng) EMI 合規(guī)性

外部模塊化過濾器可以作為解決方案，但有數(shù)百種過濾器可供選擇，哪一個是最佳選擇?我們首先看一下典型商用濾波器的內(nèi)部電路，并考慮每個組件的作用(圖 1)。

圖 1這個典型的模塊化 EMI 濾波器使用 CX 電容器來衰減差模噪聲，并使用電感器-電容器組合來降低共模噪聲。

電容器 CX 可衰減由轉(zhuǎn)換器內(nèi)電流快速變化產(chǎn)生的從線路到中性點出現(xiàn)的差模噪聲、信號和尖峰。電容器因其承受交流線路電壓瞬變的能力而被評定為 X1、X2 或 X3。電感器 L 是共?；螂娏餮a償扼流圈，具有如圖所示的兩個定相繞組。共模噪聲是由轉(zhuǎn)換器內(nèi)電壓的快速變化產(chǎn)生的，從線路和中性點到地，將扼流圈視為高阻抗，每個 CY 電容器將噪聲電流轉(zhuǎn)移到地。通過扼流圈上兩個繞組的正常運行電流會導(dǎo)致磁芯中的磁場抵消，因此可以使用高電感值而不必擔(dān)心磁飽和。通常，L 的繞組之間的耦合不太完美，因此會產(chǎn)生一些漏感，表現(xiàn)為一個單獨的串聯(lián)電感，增加了差模衰減。

雖然 CX 可以是實際限制內(nèi)的任何電容值，但兩個 CY 值受到接地泄漏電流要求的限制。它們有 Y1、Y2、Y3 和 Y4 類型，額定工作電壓和瞬態(tài)電壓逐漸降低。通過 Y 電容器的漏電流是一個潛在問題，因為它們橋接了安全屏障(火線和中性點到地)。如果設(shè)備金屬件的保護性接地連接失效，外殼會通過 Y 電容器“浮動”至線路電壓，并可能導(dǎo)致觸電。因此，這些Y電容器值被限制為允許不超過規(guī)定的電流流過外殼，該量由用于特定應(yīng)用環(huán)境的標準設(shè)定。限制范圍可以從工業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)十毫安到心臟浮動醫(yī)療保健應(yīng)用中的小于 10μA。

電阻器 R1 是一個高阻值電阻器，通常為 1M 歐姆，如果突然斷開交流電源且無法依靠負載排出電荷，則該電阻器可對 CX 進行放電，從而在交流連接器引腳上留下潛在的危險電壓。 ITE 和媒體設(shè)備安全的 IEC 62368-1 等標準規(guī)定，當 CX > 300nF(納法)時，R1 應(yīng)在兩秒后將電容器放電至低于 60V，當 CX < 300nF 時允許更高的電壓。同樣，對于只有經(jīng)過培訓(xùn)的人員才能訪問的設(shè)備，允許的電壓限制更高。

但其他標準有所不同。例如，針對醫(yī)療設(shè)備的 IEC 60601-1 要求一秒后放電至低于 60V，但如果 CX 低于 100nF，則沒有要求。 IEC 62368-1 等標準還對電阻器提出了要求，如果電阻器安裝在保險絲之前，則必須承受瞬態(tài)電壓，且電阻偏差不超過 10%。因此，電阻器 R1 將是高規(guī)格部件。在某些應(yīng)用中，正常條件下 R1 中消耗的功率可能會限制其遵守機構(gòu)規(guī)定的待機或空載損耗限制的機會。

在商業(yè)應(yīng)用中，線路中單個保險絲是正常的。如果熔絲元件符合標準，就可以放寬下游組件(例如前面提到的 R1)的規(guī)格。某些應(yīng)用(例如醫(yī)療設(shè)備和 II 類 IT)需要熔斷火線和中性線，以防止意外連接反轉(zhuǎn)的可能性。在單個熔斷器的情況下，連接反轉(zhuǎn)將使帶電線路沒有熔斷，并在火線與保護接地發(fā)生短路時依賴于供電開口中的上游熔斷器或斷路器。但這些上游設(shè)備的額定電流值可能很高，以保護多個負載的接線，并且不能保證在設(shè)備故障時快速打開，從而可能引發(fā)火災(zāi)。雙熔斷確實有缺點，但是，中性線過流可能會僅斷開中性線保險絲，使設(shè)備表面上已死亡，但內(nèi)部仍具有帶電連接。

選擇過濾器

過濾器的機械格式是選擇過程的自然起點。根據(jù)應(yīng)用要求，機械變型可用作帶螺釘或卡入式安裝的 IEC 入口，并可選擇開關(guān)和無保險絲、一個或兩個保險絲。 IEC 入口類型的 C14 額定電流為 10A，C20 額定電流為 16A，底盤安裝部件可提供 20A 及更高電流。底盤安裝濾波器通常具有 6 面屏蔽并直接固定到導(dǎo)電接地金屬制品上，可提供非常有效的 EMI 衰減。

對于所有類型，均提供醫(yī)用版本，該版本省略了 Y 電容器，可將漏電流降低至通常最大 5 μA。這種省略必然意味著共模衰減減少，并且可能需要在其他地方進行補償，例如通過級聯(lián)濾波器。

在給定最低輸入電壓和負載功率因數(shù)的情況下，可以根據(jù)負載功率要求輕松計算濾波器的額定電流需求。例如，濾波器上的負載在 90 VAC 時功率因數(shù)為 0.9，功率為 200 W，則消耗的電流為 200 W/ (0.9 x 90 VAC) = 2.47A。在這種情況下，可以選擇3A級的濾波器。

選擇濾波器所需的衰減最好通過在未安裝濾波器的情況下測量系統(tǒng)性能來完成，然后計算外部濾波器需要額外的量才能滿足規(guī)格。濾波器數(shù)據(jù)表中的衰減曲線將給出濾波器性能的指示，但請記住，數(shù)據(jù)表性能是在指定的測試條件下得出的，通常是 50 歐姆源和負載阻抗。盡管可以使用線路阻抗穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò) (LISN) 來標準化交流電源，但應(yīng)用負載可能與數(shù)據(jù)表的測試條件有很大不同。

AC-DC電源中與內(nèi)部濾波器級聯(lián)的濾波器模塊也可能導(dǎo)致意想不到的結(jié)果，發(fā)生潛在的諧振，甚至可能導(dǎo)致臨界頻率下的EMI放大。在 1 MHz 左右，濾波器衰減使發(fā)射降低了預(yù)期的量，但在 10 MHz 及以上，改善情況與預(yù)期不符，這表明模塊化濾波器并未“看到”50 歐姆，因為在這些頻率處終止。它給出的衰減低于預(yù)期。這一結(jié)果證實了進行實際測量以確認合規(guī)性的必要性。

盡早實現(xiàn) EMC 合規(guī)性對于避免最終產(chǎn)品測試中出現(xiàn)代價高昂的失敗至關(guān)重要。然而，解決方案并不是簡單地在交流入口處使用超大的模塊化濾波器，這會增加不必要的成本，甚至?xí)m得其反，產(chǎn)生意想不到的衰減結(jié)果。相反，設(shè)計人員應(yīng)該執(zhí)行測試并進行測量，以確定其應(yīng)用的實際濾波器需求。