EMI濾波器如何抑製傳導噪聲
發布時間:2012-10-27 責任編輯:rexliu
【導讀】為了滿足標準中對傳導發射限製的要求,通常使用EMI濾波器來抑製電子產品產生的傳導噪聲,本文就傳導噪聲分析技術包括共模噪聲、差模噪聲分析,共模阻抗、差模阻抗分析等進行討論分析。
傳導發射是電磁兼容設計中的重要問題之一。為了滿足標準中對傳導發射限製的要求,通常使用EMI濾波器來抑製電子產品產生的傳導噪聲。快速選擇或者設計一個滿足需要的濾波器是解決問題的關鍵。傳導噪聲分析技術包括共模噪聲、差模噪聲分析,共模阻抗、差模阻抗分析,這是濾波器設計的基礎。
共模噪聲和差模噪聲
傳導噪聲根據傳輸特性產生分成兩類:差(cha)模(mo)噪(zao)聲(sheng)和(he)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)。差(cha)模(mo)噪(zao)聲(sheng)是(shi)當(dang)兩(liang)條(tiao)電(dian)源(yuan)線(xian)的(de)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)互(hu)為(wei)相(xiang)反(fan)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de),而(er)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)是(shi)當(dang)所(suo)有(you)電(dian)源(yuan)線(xian)的(de)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)相(xiang)同(tong)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de),如(ru)圖(tu)1所示。一般而言,共模是最大難題,這是由雜散電容的不當接地造成的。

圖1 共模噪聲和差模噪聲
如ru果guo存cun在zai不bu等deng值zhi的de負fu載zai或huo線xian路lu阻zu抗kang,就jiu會hui將jiang共gong模mo電dian流liu轉zhuan換huan成cheng部bu分fen共gong模mo電dian流liu和he部bu分fen差cha模mo電dian流liu。當dang電dian源yuan係xi統tong給gei電dian路lu供gong電dian時shi,如ru果guo電dian路lu具ju有you不bu等deng值zhi的de阻zu抗kang,而er且qie電dian源yuan的de輸shu出chu存cun在zai共gong模mo噪zao聲sheng時shi,共gong模mo噪zao聲sheng將jiang差cha動dong方fang式shi作zuo用yong於yu電dian路lu,電dian路lu可ke能neng會hui發fa生sheng錯cuo誤wu。所suo以yi,在zai產chan生sheng共gong模mo電dian流liu時shi,就jiu要yao首shou先xian降jiang低di共gong模mo噪zao聲sheng,其qi次ci是shi均jun衡heng阻zu抗kang。此ci外wai,由you於yu共gong模mo和he差cha模mo的de特te性xing,共gong模mo電dian流liu的de頻pin率lv會hui比bi差cha模mo的de頻pin率lv大da。因yin此ci,共gong模mo電dian流liu會hui產chan生sheng很hen大da的de射she頻pin輻fu射she,而er且qie會hui和he鄰lin近jin的de組zu件jian和he電dian路lu發fa生sheng感gan性xing與yu容rong性xing的de耦ou合he。在zai實shi際ji電dian源yuan電dian路lu裏li,差cha模mo噪zao聲sheng很hen像xiang是shi一yi個ge電dian壓ya源yuan,共gong模mo噪zao聲sheng比bi較jiao像xiang一yi個ge電dian流liu源yuan,這zhe使shi得de共gong模mo噪zao聲sheng更geng難nan被bei消xiao除chu。共gong模mo噪zao聲sheng和he所suo有you的de電dian流liu源yuan一yi樣yang,需xu要yao有you一yi個ge流liu動dong路lu徑jing存cun在zai。因yin為wei它ta的de路lu徑jing包bao含han底di盤pan,所suo以yi外wai殼ke可ke能neng會hui變bian成cheng一yi個ge大da型xing的de高gao頻pin天tian線xian。
共模噪聲和差模噪聲分析
在電磁兼容實驗室,人們借助LISN和接收機完成傳導發射的測試,測試結果將給出電源線上的總噪聲特性。
圖2是使用LISN測試電源噪聲的示意圖,由於LISN輸出使用標準50Ω阻抗。因此兩路LISN分別得到噪聲電壓:

圖2 LISN測試示意圖
VL=25xICm+50xIdm
VN=25xIcm-50xIdm
使用標準LISN無法分離共模和差模噪聲,但是借助某些特殊裝置可以做到。如:LISN UP、CM/DM分離器、ESA2000和PREMIPRO都可以完成噪聲分離任務。圖3給出了CM/DM分離器原理圖,它是一種以變壓器為基礎的裝置,利用共模電壓無法使變壓器工作的原理。

圖3 CM/DM分離器原理圖
至此已經了解了產品的傳導發射是否滿足標準要求,並且分析出差模噪聲和共模噪聲的特性(見圖4 (a)和圖4 (b))。後續的工作就是選擇或者設計一個濾波器來解決傳導發射問題。

圖4 (a) 總噪聲和差模噪聲 圖4 (b) 總噪聲和共模噪聲
電源輸入阻抗特性分析
濾波器的製造商給出的濾波器插損是在50Ω標biao準zhun阻zu抗kang係xi統tong中zhong的de性xing能neng。眾zhong所suo周zhou知zhi電dian源yuan的de輸shu入ru阻zu抗kang隨sui著zhe頻pin率lv的de變bian化hua具ju有you不bu連lian續xu性xing,而er隨sui著zhe阻zu抗kang的de改gai變bian濾lv波bo器qi的de插cha損sun特te性xing也ye具ju有you很hen大da的de變bian化hua,100UH電感和100nF電容器在理想情況下帶來的衰減分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5(a) 100UH電感(理想的)的衰減 圖5(b) 100nF電容器(理想的)的衰減
為了充分發揮濾波器的性能,在選擇或者設計濾波器之前,需要對電源端口的輸入阻抗進行分析,這包括共模阻抗、差模阻抗,共模噪聲相位角、差模噪聲相位角。阻抗測試可以借助專用的阻抗測試儀或者傳導分析儀。
電源濾波器
通常有四種技術來進行電源濾波,以便遏製幹擾噪聲。在實際使用中混合其中的兩種,甚至更多。它們是:
·正負極電源線之間添加電容,叫X電容。
·每根電源線和地線之間添加電容,叫Y電容。
·共模遏製(兩根電源線上的遏製線圈同向繞線)。
·差模遏製(每根電源線有它自己的遏製線圈)。
·使用濾波器測試模板可以分別說明各個元件的濾波作用。濾波器模型如圖6所示。分析結果見圖7、8、9、10所示。

圖6 電源濾波器模型

圖7 (a) 僅使用100UF差模電容前後的差模噪聲 圖7 (b) 僅使用100UF差模電容前後的共模噪聲

圖8 (a) 僅使用0.01UF共模電容前後的差模噪聲 圖8 (b) 僅使用0.01UF共模電容前後的共模噪聲

圖9 (a) 增加227μH差模電感前後的差模噪聲 圖9 (b) 增加227μH差模電感前後的差模噪聲

圖10 (a) 使用完整濾波前後的差模噪聲 圖10 (b) 使用完整濾波前後的共模噪聲
解決方案
傳導噪聲分析中的共模噪聲、差模噪聲分析,共模阻抗、chamozukangfenxi,yijizaoshengxiangweijiaodeceshidoushizaiweizuizhongdejiejuefanganzuozhunbei。dianzichanpinmanzuchuandaofashedexianzhiyaoqiu,zuizhongshitongguodianyuanlvboqilaishixiande。danshiruhegenjushangshufenxijieguokuaisubingzhunquediquedinglvboqizhongdecanshu,quebingbushiyixiangjiandandegongzuo。shiyongtezhidelvboqishejiruanjian,keyijiangceshishujudaoruzhuanyongruanjianzhong,kebangzhugongchengshikuaisudedaozhenduigaichanpindedingzhilvboqi。yingyongfanganrutu11。

圖11 自動濾波器設計
通(tong)常(chang)對(dui)傳(chuan)導(dao)發(fa)射(she)的(de)限(xian)製(zhi)是(shi)針(zhen)對(dui)電(dian)源(yuan)線(xian)輸(shu)入(ru)端(duan),並(bing)不(bu)包(bao)括(kuo)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)。本(ben)文(wen)所(suo)介(jie)紹(shao)的(de)噪(zao)聲(sheng)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)借(jie)鑒(jian)電(dian)源(yuan)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)和(he)差(cha)模(mo)噪(zao)聲(sheng)測(ce)試(shi),如(ru)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)和(he)CM/DM分離器(或LISN UP)就可以快速診斷電源輸出端共模噪聲。如果要求不高,也可采用倒置的LISN和CM/DM分離器來測試電源輸出端的共模噪聲。
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