產生背景
在電子設備供電電源上,存在有各種各樣的外來干擾信號。很多電子設備本身,在完成其功能同時,也產生了形形色
色的EMI信號,以及人為和大自然的EMI信號。這些EMI信號,通過傳導和輻射的方式,影響著該環境裡運行的電子設備。
IBM公司(美)的一項研究表明:一台普通計算機裝置每月都會遭受120多次電源干擾,且電源問題是造成美國45%以上的計算機裝置丟失數據和發生故障的根本原因。其中脈衝干擾占39.5%,振盪瞬變占49%,這兩項共占88.5%,是電源受到干擾的主要成分。電網中的負載切換、電網切換或其他各種故障都會使電網發生瞬變過程產生脈衝噪聲,它通常也稱瞬變噪聲,其波形是一系列的單個脈衝或脈衝束。
針對以上電網瞬變電壓的干擾以及EMI信號的傳導干擾和某些輻射傳導干擾,電源EMI濾波器消除它們的極有效的器件,而且,電源EMI濾波器還能提高設備(產品)對EMI的抗擾度,因而得到非常廣泛的套用。
共模和差模干擾信號
關於上述各式各樣的EMI信號對電子設備的影響,其中把相線(L)與地線(E)和中線(N)與地線(E)之間存在的EMI信號稱之為共模干擾信號,共模干擾信號可視為在L和N線上傳輸的電位相等、相位相同的信號。把L和N之間存在的干擾信號U3稱為差模干擾信號,也可把它視為在L和N線上有180度相位差的干擾信號。對於供電系統的傳導干擾信號,都可以用共模和差模干擾信號來表示。並且也可把L-E和N-E上的共模干擾和。
實際套用中,在電源線中往往同時存在共模和差模干擾,一般低於1MHz頻率的干擾以差模為主,高於1MHz頻率的干擾以共模為主。因此電源EMI濾波器是由共模濾波電路和差模濾波電路綜合構成。
選型
選擇和使用電源EMI濾波器時,考慮最主要的特性參數有額定電壓、額定電流、插入損耗、阻抗搭配、工作環境條件(溫度等),另外還要考慮體積、質量和可靠性等等。
3.1、額定電壓
額定電壓是電源EMI濾波器用在指定電源頻率時的工作電壓,也是濾波器最高允許的電壓值。如用在50Hz單相電源的濾波器,額定電壓為250V;用在50Hz三相電源的濾波器,額定電壓為440V。若輸入濾波器的電壓過高,會使內部電容器損壞。
3.2、額定電流
額定電流是在額定電壓和指定環境溫度條件下所允許的最大連續工作電流。
隨著環境溫度的升高,或由於電感導線的銅損,磁芯損耗以及周圍環境溫度等原因導致工作溫度高於室溫,這時候就難以確保插入損耗的性能。我們應該根據實際可能的最大工作電流和工作環境溫度來選擇濾波器的額定電流。
3.3、插入損耗
插入損耗是電源EMI濾波器最重要的技術參數之一,設計人員和工程套用人員考慮的中心問題就是:在保證濾波器安全、環境、機械和可靠性能滿足有關標準要求的前提下,實現儘可能高的插入損耗。濾波器的插入損耗是頻率的函式,用dB(分貝)表示。
3.4、阻抗搭配
選擇濾波電路的原因是與濾波器要在匹配條件下工作的傳統概念不同,所謂匹配意味濾波器需在保持輸入/輸出信號幅度不變(或某一固定比例)的前提下,將其中部分頻譜做預期的處理或變換,而EMI電源濾波器不同,它是個以工頻為導通對象的低通濾波器,是在不匹配的條件下工作,因為在實際套用中無法實現匹配,如濾波器輸入端阻抗RI——電網源阻抗是隨著用電量的大小變化的,濾波器輸出端的阻抗Rl(負載阻抗)——電源阻抗是隨著電源負載的大小變化的,要想獲得理想的抑制效果,應遵循正確的阻抗搭配。
3.5、其它
在選用電源EMI濾波器時,除了估計干擾源類型——共模為主還是差模為主,以及它的電氣安全性能——泄漏電流和耐壓外,還要考慮使用過程中的環境溫度、額定電流和額定電壓,它直接影響到濾波器的濾波性能。
安裝
一般來說,在電子設備或系統內安裝EMI 濾波器時要注意的是,在綑紮設備電纜時,千萬不能把濾波器(電源)端和(負載)端的電線綑紮在一起, 因為這無疑加劇了濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合。嚴重破壞了濾波器和設備禁止對EMI 信號的抑制能力。
另外,要求濾波器的外殼與系統地之間有良好的電氣連線,也就是說,要處理好濾波器的接地。最好不要把濾波器安裝在塑膠板上和其他絕緣物體上,亦不要安裝在金屬託架上。要儘量避免使用長接地線。因為過長的接地線意味著大大增加接地電感和電阻,它會嚴重破壞濾波器的共模抑制能力。
較好方法是,用金屬螺釘與星形彈簧墊圈把濾波器的禁止牢牢地固定在設備電源入口處的機殼上。
套用實例
上海某電梯安裝公司把一台進口的變頻調速電梯安裝在某大學六層科研大樓頂上,雖然它既節能,又運行平穩。但
是,這台電梯卻嚴重影響了科研工作的進展,科研人員對它卻很有意見。
首先,變頻調速電梯工作時,會使位於一摟的某液體閃爍計數器的運行失常,在變頻調速電梯安裝前後採集到的試驗數據完全兩樣;
其次,安裝了這個變頻調速電梯後,位於一摟的高效液相計(HPLC)測得的結果與未安裝該電梯前的結果不能吻合。研究人員花了兩個多月的時間才找到了原因,原來是安裝變頻調速電梯後產生的電磁干擾引起了上述測試儀器的工作異常。由於變頻調速電梯是在三相380V/50Hz,最大工作電流約60A 的PWM 狀態下運行,系統內沒有設定有效抑制EMI 的措施,由此產生的電磁干擾十分驚人。
經現場勘測,在遠離大樓35 米的地面用收音機就能明顯地識別出它產生的干擾噪音。
面對如此嚴重的電磁干擾現象,在安裝了EMI 濾波器後,就把變頻調速電梯工作產生的EMI信號控制到容許的範圍內,使大樓內的液體閃爍計數器和高效液相計(HPLC)能在變頻調速電梯工作時正常地運行,因為在它們之間實現了電磁兼容性。