电源噪声滤波器电原理图

电源噪声滤波器电原理图

电源噪声滤波器(PNF)是一种新型器件，它能有效地抑制交流电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力和系统的可靠性。其作用是双向的，一方面消除或削弱来自交流电网的噪声干扰。保证电子设备的正常运行；另一方面可以防止电子设备本身产生的噪声窜入交流电网。由于多种因素可以在交流电网上产生高频噪声干扰信号，这些高频干扰信号将通过电源窜入电子设备中，可能使放大电路的信噪比大大下降，出现非线性失真，也可能使数字电路以及计算机系统因干扰而产生逻辑混乱，导致不能正常工作。这种高频干扰通常被称为传导干扰，它又分为常态干扰和共模干扰。常态干扰又称对称干扰，是指两根电源导线之间出现的干扰，其干扰频率相对较低。共模干扰又称非对称干扰，是指每根导线与地(或机壳)之间出现的干扰，非对称性干扰信号干扰频率较高。消除或削弱传导干扰的方法通常就是在电源与电器设备之间加装电源噪声滤波器。

图(a)所示为电源噪声滤波器典型电路。其中，C1的作用是滤除电源导线中的对称干扰。C 2、C3与L组成对称性霄型低通滤波器，工频50／60Hz交流电可以直接通过，而对常态干扰脉冲却呈现极高阻抗，它可以阻止电源网络中的常态干扰信号进入电子设备，同时也可阻止各种电子设备中产生的对称性干扰信号进入电源网络，C4、C5则是用来消除负载回路中产生的非对称干扰。

图(b)是一种复合式电源噪声滤波器。它是由两级噪声滤波器组成，因此滤波效果更好。

图(c)是在上述的电源噪声滤波器的进线端以及进线端与地之间各并联一只压敏电阻，有效地抑制电网出现的浪涌电压。压敏电阻是一种过压保护元件，对于过电压脉冲响应快，响应时间仅为几至几十纳秒，耐冲击电流的能力强，通过电流量可达到100A至20kA，而在电压低于过压值时，漏电流仅为几至几十微安。因此用它来吸收浪涌电压具有极佳的效果。压敏电阻的标称值可根据具体电路的浪涌电压的幅度来确定一只特殊的电源噪声滤波器。常见压敏电阻的标称值有18、22、24、27、33、39、47、56、82、100、120、150、200、216、240、250、270、

283、360、470、850、900、1100、1500、1800V等规格。

风光变频器在制药行业中的应用及电磁兼容

1 引言

发酵行业是现代生物工程重要组成部分，特别是制药、味精、柠檬酸、黄原胶等新型发

酵行业，近几年来得到迅速的发展，由于生产的是原料药，所以都离不开发酵罐这一核心，

随着产品产量和新品种的不断增加，对发酵罐的搅拌速度也要求不一，不同时段需要不同的调整。针对大的负载比较多、耗电量比较大、发酵周期比较长的情况，近几年来我们在全国发酵行业做了不少设备改造，即满足了生产工艺要求，又节省了不少资源。

变频器在发酵罐上的应用日益普及，为该行业的工业自动化控制提供了良好的生产及工艺效益。但随着自动化程度的不断提高，自动化设备对电源污染的程度也越来越深，相应地对自动控制系统的干扰也越来越强，对电源滤波、净化，取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。

随着电力电子技术的发展,家用电器,工业电器和计算机网络的日益发达,电磁环境日益复杂和恶化,使得电气电子产品的电磁兼容性emc与电磁干扰emi问题受到各国政府和生产企业的重视,电子电气产品的电磁兼容性emc是一项非常重要的质量指标,它不仅关系到产品本身的工作可靠性和使用安全性,而且还可能影响到其它设备和系统的正常工作,关系到电磁环境的保护问题.为了保证电子设备稳定可靠的工作,减小电磁污染,越来越多的国家开始执行emc标准,尤其是在欧洲国家,emc的性能已经成为法律性的指标,成为电子产品厂商必须通过的指标之一.

国际上对电磁兼容(emc或emi)的设计及应用已有比较明确的法律及法规，对电子设备的干扰及被干扰、电源的谐波含量都有明确的规定。由于我国emc技术起步较晚,无论是理论,技术水平还是相关产品(测试仪器,屏蔽材料,滤波器等)制造,都与发达国家相差甚远,因此在实践方面也相对落后.但是，在一些工业生产自动化程度相对较高的场合，电磁兼容的意义已相对明显，有些电子设备对电磁干扰非常敏感，以致于无法正常工作。

2 噪音的类型及对策

2.1 干扰传播的途径主要是传导和辐射

传导干扰:干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化，这种变化通过导线直接传递给其

他设备造成危害。

辐射干扰:其现象的产生是与天线分不开的，根据“天线原理”，如果导线的长度与波长相等，很容易产生电磁波。

总之，当设备和导线的长度比波长短时，主要的问题是传导干扰，当它们的尺寸比波长长时，主要的问题是辐射干扰。

另外，环境中还存在着一些短暂的高能量脉冲干扰，这些干扰对电子设备危害很大，一般称这种干扰为瞬态干扰，瞬态干扰可以通过电缆进入设备，也可以以宽带辐射干扰的形式对设备造成影响。

2.2 电压/电流的变化通过导线传输时有两种状态，即共模和差模

设备的电源线、信号线等的通信线、与其他设备或外围设备相互交换的通信线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路的输送电力或信号，但在这两根导线之间还有另一种导线即地线。

干扰电压电流有两种方式，如图1所示:

图1对地电压/电流与差模、共模电压/电流之间的关系

一种两根导线分别作为往返线路传输即为差模;

另一种是两根导线做去路，地线做返回传输即为共模。

对于差模电压，一根导线上是(线间电压)/2，而另一根导线上是(线间电压)/2，因而是平衡的。但共模电压，两根导线上相同。当两种模式同时存在时，两根导线对地的电压不同，因此，当两根导线对地线电压或电流不同时，可通过下列方法求出两种模式的成分:

un=(u1-u2)/2uc=(u1+u2)/2

in=(i1-i2)/2ic=(i1+i2)/2

2.3 接地是电子设备的一个重要问题

(1)接地使整个电路系统中的所有电路都有一个公共的参考零电位，也就是各个电路的地之间没有电位差，保证电路系统能稳定工作。

(2)防止外界电磁场的干扰，机壳接地为瞬态干扰提供了泄放通道，也可使因静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，可获得良好的屏蔽效果。

(3)保证安全运行，当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备损坏，当设备绝缘不好造成设备接地时，可避免人为触电。

总之，接地是抑制噪声、防止干扰的主要办法之一。设计良好的接地系统是以很低的成本防止不希望有的干扰和发射。

(4)电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线，同时也是干扰的良好通道。使用屏蔽电缆也许是能解决电缆辐射的问题，但是在使用屏蔽电缆的情况下，屏蔽层合理的接地是解决电缆干扰的重要问题，不正确的接地点选择等问题都将使屏蔽线出现干扰问题。

另外，电缆的布置也对产品电磁干扰产生重大影响，电缆之间的耦合、电缆布线形成的环路都是电缆电磁干扰设计的重要组成部分。

3 emc的滤波及滤波器件的选择

(1)电阻

电阻是pcb上最常用的器件，电阻也是emi使用的限制，对于频域要求存在的限制决定于使用的电阻材料。由于线绕附加存在电感，所以线绕电阻并不适合高频应用，薄膜电阻包含一些电感，但由于引脚电感较低，所以有时可用于高频场合。

(2)电容

电容通常用于电源总线的去耦、滤波、旁路和稳压。在自谐振频率以下，电容保持电容性，在自谐振频率以上，电容呈现电感性，可用公式xｃ=1/2лfc来描述，其中xｃ是容抗，单位为欧姆(ω);f是频率，单位为赫兹(hz);c是电容，单位为法拉(f)。

(3)电感

电感也常用来控制emi。随着频率的增加，电感的感抗线性增加，可用公式xl=2лfl来描述。

共模电感(common mode choke)也叫共模扼流圈。

将这个共模电感一端接干扰源，另一端接被干扰设备，并通常与电容一起使用，构成低通滤波器，可以使线路上的共模emi信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的emi信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的emi信号，能有效地降低emi的强度。

(4)铁氧体磁环

当电感不能用于高频时，采用铁氧体磁环是一个好办法。铁氧体材料是铁磁或者是铁镍的合金，这种材料有很高的高频磁导率和高频阻抗，同时线绕间电容最小，适用于高频场合。低频时，电感小，线损小，高频时，其基本是电抗性的，且与频率有关。

铁氧体磁环属于“能耗型设备”。它以热的形式消耗高频能量，只能用电阻而不是电感的特性来解释。

(5)滤波器

滤波器是一种二端口网络，它有电感、电容、共模电感元件构成无源低通网络，基本电路图如图2所示:

图2电源线滤波器的基本电路

在一般的滤波器中，共模扼流圈的作用主要是滤除低频共模干扰。高频时由于寄生电容的存在，共模扼流圈对干扰的抑制作用已经较小，主要依靠共模滤波电容。

4 系统介绍

河南新乡华星制药有限公司采用北京康拓生物工程有限公司生产的全自动dcs控制系统，对每台发酵罐的温度、压力、流量、溶解氧(do)、酸碱度(ph值)进行全方位监控，并对发酵过程中的入料、出料，包括液糖、苯乙酸、硫氨等进行全自动控制，有三个传感器进行检测，发出电信号至微机控制系统。由微机控制系统根据检测的电压(或电流)值适时发出脉冲信号(+5v)，去控制电磁阀的开闭(电磁阀工作电压为+36v)，来实现进出料的补给。这样

每台滤波器就有三项进出料控制的六个电磁阀，三个传感器，两块检测仪表，在微机上全部实行远距离监控，并将全部数据显示于一面大屏幕墙上，系统图如图3所示:

图3滤波器系统图

5 电磁干扰问题分析及解决方法

变频器输入端电源采用太原依福特电子有限公司生产的滤波器，其内部是采用高导磁率的铁氧体磁心及铁粉芯，配接一定的电容，构成lc滤波器，将变频器产生的高次谐波(在某一频带内)滤掉，而使临近或同一电网工作的电器设备不受干扰，能够正常工作。其原理图如图4所示。

图4输入滤波器电路原理图

变频器输出端电源滤波器采用电感(l)滤波，抑制变频器输出的传导干扰和减少输出线上低频辐射干扰，使直接驱动的电机电磁噪声减小，使电机的铜损、铁损大幅减少。其原理图如图5所示。

图5变频器输出端电源滤波器

图6变频器主电路图

变频器产生干扰的原因:

变频器主电路一般是交流—直流—交流模式如图6所示，外部输入380v/50hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受pwm载波信号调制的脉冲波形，对于gtr大功率逆变元件，其pwm的载波频率为2～3khz，而igbt大功率逆变元件的pwm最高载频可达15khz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

6 结束语

通过多家企业的认可，风光变频器在发酵行业得到了广泛的应用，为发酵行业在自动化控制与变频器电磁兼容所涉及到的问题得到了比较完善的解决。随着我国变频器市场的日益扩大，电磁兼容的意义将更突出，其应用的前景将是十分乐观的。

开关电源输入EMI滤波器设计与仿真

摘要：开关电源中常用EMI滤波器抑制共模干扰和差模干扰。三端电容器在抑制开关电源高频干扰方面有良好性能。文中在开关电源一般性能EMI滤波器电路结构基础上，给出了使用三端电容器抑制高频噪声的滤波器结构。并使用PSpice软件对插入损耗进行仿真，给出了仿真结果。

1 开关电源特点及噪声产生原因

随着电子技术的高速发展，电子设备种类日益增多，而任何电子设备都离不开稳定可靠的电源，因此对电源的要求也越来越高。开关电源以其高效率、低发热量、稳定性好、体积小、重量轻、利于环境保护等优点，近年来取得快速发展，应用领域不断扩大。开关电源工作在高频开关状态，本身就会对供电设备产生干扰，危害其正常工作；而外部干扰同样会影响其正常工作。开关电源干扰主要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形。这些波形的电流泄漏到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声，泄漏到输出部位就

形成了波纹问题。考虑到电磁兼容性的有关要求，应采用EMI电源滤波器来抑制开关电源上的干扰。文中主要研究的是开关电源输入端的EMI滤波器。

2 EMI滤波器的结构

开关电源输入端采用的EMI滤波器是一种双向滤波器，是由电容和电感构成的低通滤波器，既能抑制从交流电源线上引入的外部电磁干扰，还可以避免本身设备向外部发出噪声干扰。开关电源的干扰分为差模干扰和共模干扰，在线路中的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰是火线与零线之间产生的干扰，共模干扰是火线或零线与地线之间产生的干扰。抑制差模干扰信号和共模干扰信号普遍有效的方法就是在开关电源输入电路中加装电磁干扰滤波器。EMI滤波器的电路结构包括共模扼流圈(共模电感)L，差模电容Cx和共模电容Cy。共模扼流圈是在一个磁环(闭磁路)的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。两个线圈的磁通方向一致，共模干扰出现时，总电感迅速增大产生很大的感抗，从而可以抑制共模干扰，而对差模干扰不起作用。为了更好地抑制共模噪声，共模扼流圈应选用磁导率高，高频性能好的磁芯。共模扼流圈的电感值与额定电流有关。差模电容Cx通常选用金属膜电容，取值范围一般在0．1～1μF。Cy用于抑制较高频率的共模干扰信号，取值范围一般为2200～6800 pF。常选用自谐振频率较高的陶瓷电容。由于接地，共模电容Cy上会产生漏电流Ii-d。因为漏电流会对人体安全造成伤害，所以漏电流应尽量小，通常<1．0 mA。共模电容取值与漏电流大小有关，所以不宜过大，取值范围一般为2200～4700 pF。R为Cx的泄放电阻。电源滤波器的性能很大程度上取决于其端阻抗，根据信号传输理论，滤波器输入端与电源端的端接、滤波器输出端与负载端的端接应遵循阻抗极大不匹配原则。因此，滤波器设计时应遵循：(1)源内阻是高阻(低阻)的，滤波器输入阻抗就应该是低阻(高阻)；(2)负载是高阻(低阻)的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻(高阻)。对EMI信号来说，电感是高阻，电容是低阻，则有图1中的4种滤波器选用类型。

电源滤波器一般用来抑制30 MHz以下频率范围的噪音，但对30 MHz以上的辐射发射干扰也有一定的抑制作用。根据开关电源共模、差模干扰的特点。可以按干扰的分布大概划分为3个频段：0.15～0．5 MHz 差模干扰为主；0．5～5 MHz差模、共模干扰共存；5～30 MHz共模干扰为主。

3 插入损耗

插入损耗是*价滤波器性能的主要指标，它是频率的函数。插入损耗的定义为，没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB表示。插入损耗越大，说明滤波器抑制干扰的能力越强。滤波器接入前后的电路图，如图3(a)和图3(b)所示。滤波器的插入损耗由式(1)表示。

4 三端电容器

在高频线路中，因为一般电容器的引线具有电感分量，所以影响了其高频特性。而三端电容器在结构上可以做到与电容器串联的剩余电感分量很小，因此其插入损耗特性优于两端电容器，从而改善了电容器的高频特性。三端电容器有引线式和片状式两种。

通常采用旁路电容抑制高频噪声。实际的电容器不仅具有电容C，还有等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL。由于寄生电感的影响，对于一个实际的电容存在着自谐振频率。在这个频率以上时，电容呈感性。元件的寄生参数也会极大地影响滤波器的高频特性。电容的寄生电感是主要的寄生参数，而对于电感来说，寄生电容是主要的寄生参数。电容器用作旁路电容时，如图4(a)所示，两端电容器一端接地，另一端与信号线连接。三端电容器一端接地，其余两端与电容器的一个电极相连并串联到信号线上，如图4(b)所示。一般的两端电容器由于与其电路连接的引线电感或电极所产生的等效串联电感较大，所以自谐振点较低，旁通效应也随之降低。采用三端电容器可有效改善此缺陷。原因在于三端电容器中流入地的电流与信号线中电流方向正交，所以其寄生电感比两端电容降低约50％，并且其中70％以上的寄生电感转移到信号线上。因此提高了三端电容器的自谐振频率，也可以将它作为T形滤波器使用，更好地抑制高频噪声。

三端电容器的地线电感起着不良作用，作为旁路电容抑制高频噪声时，宜采用无引线的片式陶瓷电容器。图5为两端电容器与三端电容器插入损耗的比较。

5 改进型结构

线路旁通电容Cy是用来消除高频噪声的组件，基于对今后开关操作频率的高频化考虑，宜选用能消除频率高达1000MHz噪声的电容器。而一般的两端结构的旁通电容器仅能消除30MHz左右的噪声。由以上介绍可知，相对两端电容器来说，三端电容器能更好地抑制高频噪声。以EMI滤波器的一般结构为基础，用三端电容器替代其中的两端旁通电容Cy，电路图，如图6所示。其中ESL为三端电容器信号线上的等效串联电感。

6 PSpice仿真

(1)使用三端电容的电路的插损与以往电路插损的比较。

取差模电容Cx为0．1μF，共模电容Cy为2200pF，共模电感L取8mH。三端电容的等效串联电感ESL取0．36nH。在50 Ω／50 ΩQ系统中分别对一般结构的EMI滤波器和使用了三端电容器的EMI滤波器的插入损耗进行PSpice仿真。如图7所示，EMI滤波器在使用三端电容时，谐振点之后的插损效果明显好于在滤波器中使用两端电容的插损。提高了滤波器在高频段的性能。

(2)不同Cy值，固定ESL。

在使用三端电容的滤波器电路中，输入阻抗和输出阻抗都取50时，分别取共模电容Cy为4700pF，3300pF和2200pF，其他参数不变，观察共模电容Cy变化时对插入损耗的影响。通过图8的仿真结果看出，随着共模电容的增大，在高频段插入损耗有所提高，并且滤波器谐振点降低；而在低频段基本没有变

化。因此可以通过选择较大的共模电容来提高滤波器高频段的插入损耗。由于共模电容需要接地，有漏电流，Iid的存在，对人身安全存在威胁。而共模电容越大，漏电流越大，所以选择共模电容时需要在漏电流满足安全条件的情况下取值。

(3)固定Cy值，不同ESL。

考察三端电容器与信号线串联的等效串联电感ESL对插入损耗的影响。取共模电容Cy为3 300 pF，取ESL分别为0．03 nH，0．36 nH和0．72 nH，其他参数值不变。从图9的仿真结果可以看出，随着ESL降低，谐振点提高，谐振点之后的插入损耗下降。

7 结束语

在一般性能EMI滤波器的基础上，使用三端电容器作为共模电容对原滤波器加以改进，仿真结果表明，在高频段有较好的插损效果。由于实际使用时设备的阻抗大小以及在高频时元件的寄生效应均会对EMI滤波器的插损产生影响，因此还需根据实际情况对滤波器进行具体优化设计。(电子科技作者：曹丽萍，张勋，陈晨，刘韬)