隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子、電力電子、電氣設(shè)備的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生高密度、寬頻譜的電磁信號，充斥整個空間，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。在這樣的環(huán)境下，電子設(shè)備及電源需要具備更高的電磁兼容性。接地、屏蔽和濾波是抑制電磁干擾的三大關(guān)鍵措施，本文將著重介紹電源中使用的 EMI 濾波器及其基本原理和正確應(yīng)用方法。

電源設(shè)備中噪聲濾波器的作用

電子設(shè)備的供電電源，如常見的 220V/50Hz 交流電網(wǎng)或 115V/400Hz 交流發(fā)電機(jī)，都存在著各式各樣的 EMI 噪聲。這些噪聲來源廣泛，包括人為干擾源和自然干擾源。人為的 EMI 干擾源，如各種雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等設(shè)備的無線電發(fā)射信號，會在電源線上和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號；電動旋轉(zhuǎn)機(jī)械和點(diǎn)火系統(tǒng)，會在感性負(fù)載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)過程和輻射噪聲干擾。自然干擾源方面，雷電放電現(xiàn)象持續(xù)時間短但能量巨大，宇宙中天電干擾噪聲的頻率范圍很寬。此外，電子電路元器件本身工作時也會產(chǎn)生熱噪聲等。

這些電磁干擾噪聲通過輻射和傳導(dǎo)耦合的方式，會對在此環(huán)境中運(yùn)行的各種電子設(shè)備的正常工作造成影響。另一方面，電子設(shè)備在工作時自身也會產(chǎn)生各種各樣的電磁干擾噪聲。例如，數(shù)字電路采用脈沖信號（方波）來表示邏輯關(guān)系，對其脈沖波形進(jìn)行傅里葉分析可知，其諧波頻譜范圍很寬。數(shù)字電路中存在的多種重復(fù)頻率的脈沖串，包含的諧波更豐富，頻譜更寬，產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也更復(fù)雜。各類穩(wěn)壓電源本身也是電磁干擾源，線性穩(wěn)壓電源中因整流而形成的單向脈動電流會引起電磁干擾；開關(guān)電源雖然具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在功率變換時處于開關(guān)狀態(tài)，是很強(qiáng)的 EMI 噪聲源，其產(chǎn)生的 EMI 噪聲頻率范圍寬、強(qiáng)度高。

這些電磁干擾噪聲會通過輻射和傳導(dǎo)的方式污染電磁環(huán)境，影響其他電子設(shè)備的正常工作。對于電子設(shè)備而言，當(dāng) EMI 噪聲影響到模擬電路時，會使信號傳輸?shù)男旁氡茸儾?，?yán)重時信號會被 EMI 噪聲淹沒，無法進(jìn)行處理；當(dāng)影響到數(shù)字電路時，會導(dǎo)致邏輯關(guān)系出錯，產(chǎn)生錯誤結(jié)果。對于電源設(shè)備來說，其內(nèi)部電路復(fù)雜，除功率變換電路外，還有驅(qū)動電路、控制電路、保護(hù)電路、輸入輸出電平檢測電路等，這些電路主要由通用或?qū)Ｓ眉呻娐窐?gòu)成。當(dāng)受到電磁干擾發(fā)生誤動作時，會使電源停止工作，導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常運(yùn)行。

采用電網(wǎng)噪聲濾波器可以有效防止電源因外來電磁噪聲干擾而產(chǎn)生誤動作。此外，從電源輸入端進(jìn)入的 EMI 噪聲部分會出現(xiàn)在電源輸出端，在電源的負(fù)載電路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，成為電路誤動作或干擾信號傳輸?shù)脑颍@些問題同樣可以通過噪聲濾波器來解決。在電源設(shè)備中采用噪聲濾波器的作用主要有：防止外來電磁噪聲干擾電源設(shè)備本身控制電路的工作；防止外來電磁噪聲干擾電源的負(fù)載的工作；抑制電源設(shè)備本身產(chǎn)生的 EMI；抑制由其它設(shè)備產(chǎn)生而經(jīng)過電源傳播的 EMI。

開關(guān)電源和處于開關(guān)工作狀態(tài)的電子設(shè)備會在電源設(shè)備輸入端產(chǎn)生終端噪聲，產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾，還會進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其他電子設(shè)備，因此必須采取有效措施加以抑制。在抑制 EMI 噪聲的輻射干擾方面，電磁屏蔽是方式；在抑制傳導(dǎo)干擾方面，采用 EMI 濾波器是有效的手段，同時需要配合良好的接地措施。國際上各個國家都制定了嚴(yán)格的電磁噪聲限制規(guī)則，如美國的 FCC、德國的 FTZ、VDE 等標(biāo)準(zhǔn)。電子設(shè)備若不滿足這些規(guī)則，將無法出售和使用。基于以上種種原因，在電源設(shè)備中必須設(shè)計(jì)使用滿足要求的電網(wǎng)噪聲濾波器。

EMI 噪聲和濾波器的類型

在電源設(shè)備輸入引線上存在兩種 EMI 噪聲：共模噪聲和差模噪聲。把在交流輸入引線與地之間存在的 EMI 噪聲稱為共模噪聲，可看作在交流輸入線上傳輸?shù)碾娢幌嗟?、相位相同的干擾信號；把交流輸入引線之間存在的 EMI 噪聲稱為差模噪聲，可看作在交流輸入線傳輸?shù)南辔徊?180° 的干擾信號。共模噪聲是從交流輸入線流入大地的干擾電流，差模噪聲是在交流輸入線之間流動的干擾電流。任何電源輸入線上的傳導(dǎo) EMI 噪聲都可以用共模和差模噪聲表示，并且可以將這兩種 EMI 噪聲看作獨(dú)立的 EMI 源分別進(jìn)行抑制。

在對電磁干擾噪聲采取抑制措施時，應(yīng)主要考慮抑制共模噪聲，因?yàn)楣材Ｔ肼曉谌l域特別是高頻域占主要部分，而在低頻域差模噪聲占比較大，所以應(yīng)根據(jù) EMI 噪聲的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)?EMI 濾波器。電源用噪聲濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印制板上安裝電感線圈、電容器等構(gòu)成抑制噪聲濾波器。具體采用哪種形式需要根據(jù)成本、特性、安裝空間等因素確定。一體化式成本高，但特性較好，安裝靈活；分立式成本較低，但屏蔽效果不佳，可自由分配在印制板上。

噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)

電源 EMI 噪聲濾波器是一種無源低通濾波器，它能夠無衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫?，同時大大衰減隨交流電傳入的 EMI 噪聲，還能有效抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的 EMI 噪聲，阻止其進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其他電子設(shè)備。

單相交流電網(wǎng)噪聲濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，它是由集中參數(shù)元件組成的四端無源網(wǎng)絡(luò)，主要使用的元件包括共模電感線圈 L1、L2，差模電感 L3、L4，以及共模電容 CY1、CY2 和差模電容器 CX。若將此濾波器網(wǎng)絡(luò)放在電源的輸入端，L1 與 CY1 及 L2 與 CY2 分別構(gòu)成交流進(jìn)線上兩對獨(dú)立端口之間的低通濾波器，可衰減交流進(jìn)線上存在的共模干擾噪聲，阻止其進(jìn)入電源設(shè)備。共模電感線圈用于衰減交流進(jìn)線上的共模噪聲，L1 和 L2 一般在閉合磁路的鐵氧體磁芯上同向卷繞相同匝數(shù)，接入電路后在 L1、L2 兩個線圈內(nèi)交流電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，不會使磁芯引起磁通飽和，且這兩個線圈的電感值在共模狀態(tài)下較大且保持不變。差模電感線圈 L3、L4 與差模電容器 CX 構(gòu)成交流進(jìn)線獨(dú)立端口間的一個低通濾波器，用于抑制交流進(jìn)線上的差模干擾噪聲，防止電源設(shè)備受其干擾。

圖 2 所示的電源噪聲濾波器是無源網(wǎng)絡(luò)，具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網(wǎng)與電源之間，相當(dāng)于在二者的 EMI 噪聲之間設(shè)置了一個阻斷屏障，起到了雙向抑制噪聲的作用，因此在各種電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

噪聲濾波器的主要設(shè)計(jì)原則

共模電感線圈使用的磁芯有環(huán)形、E 形和 U 形等，材料一般采用鐵氧體。環(huán)形磁芯適用于大電流小電感量，其磁路比 E 形和 U 形長，沒有間隙，用較少的圈數(shù)可獲得較大的電感量，具有較佳的頻率特性。而 E 形磁芯的線圈泄漏磁通小，當(dāng)電感漏磁有可能影響其他電路或其他電路與共模電感有磁耦合，無法獲得所需的噪聲衰減效果時，應(yīng)考慮采用 E 形磁芯作成共模電感。

差模電感線圈一般采用金屬粉壓磁芯，由于粉壓磁芯適用頻率范圍較低，在幾十 kHz～幾 MHz，其直流重疊特性好，在大電流應(yīng)用時電感量也不會大幅下降，適合作為差模電感。

在電源噪聲濾波器中使用的 CX、CY1 和 CY2 這兩種電容器，在濾波器中的作用不同，且有不同的安全等級要求，其性能參數(shù)直接與濾波器的安全性能有關(guān)。差模電容 CX 接在交流電進(jìn)線兩端，除加有額定交流電壓外，還會疊加交流進(jìn)線之間存在的各種 EMI 峰值電壓。因此，該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高，同時要求該電容器失效后，不能危及后面電路及人身安全。CX 電容器的安全等級分為 X1 和 X2 兩類，X1 類適用于一般場合，X2 類適用于會出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應(yīng)用場合。

共模電容 CY 接在交流電進(jìn)線與機(jī)殼地之間，要求它們在電氣和機(jī)械性能上有足夠大的安全余量。萬一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機(jī)殼帶上危險的交流電，若設(shè)備的絕緣或接地保護(hù)失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此，對 CY 電容器的容量要進(jìn)行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外，還要求其應(yīng)有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬一發(fā)生電壓擊穿它應(yīng)處于開路狀態(tài)，而不會使設(shè)備機(jī)殼帶電。