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1.7 EMI滤波器与插入损耗
前面我们分析了共模噪声
差模噪声产生的机理
以及影响共模噪声差模噪声的
主要的一个电感的分布参数
和电容的来源
那么这一节呢
我们就介绍一下 EMI 滤波器
那 EMI 滤波器
它就是我们来阻断
传输路径的一个设备
这是一个干扰源
我们的电源
那么这个是我们的公网公共网络
那么这个噪声呢
它要经过一个传输路径
那么我们的滤波器呢
就放在这个传输路径上
它来阻挡 EMI 传导噪声
所以我们的滤波器有三个功能
一个 抑制电源设备本身
对外部产生的 EMI
抑制这个本身对外部产生的 EMI
第二个它还可以防止外来电磁噪声
干扰电源设备正常工作
也就是说蓝色这条路
外面的电网外面公网它的一些
不正常的一些干扰信号进来以后呢
也会被我的滤波器所滤除
那么第三个呢就是抑制由其它设备产生
经过我们电源来传播的一个 EMI
因为电源是给一个设备供电的
它是在我们整个电路里面的一个元件
那么很多噪声呢
就经过我的电源
传播到这个系统的各个地方去
所以说呢这个我们讲的 EMI 滤波器
并不是完全只是保证公网的噪声
不影响我的公网正常的这个波形
实际上呢在很多的直流电源系统里面
我们也需要这个滤波器
同样因为 DCDC 变换器
它也会产生一个噪声
那么它的噪声虽然不是直接
传到我的这个 220 的公网上面去
但是呢它会传到其它的
这个电源系统里面去
那么造成我们其它设备的不正常工作
所以说它也需要一个滤波器
来滤除这些噪声
那么 EMI 电源滤波器
它实际上就是两个低通的滤波器
它为什么这两个呢
一个是要衰减共模干扰和衰减差模干扰
一个衰减共模干扰一个衰减差模干扰
也就是说它能在一个阻带范围内
衰减传导噪声能量
而让公频或者直流
而没有衰减的或者很少衰减的传送过去
它是属于低通的
也就是说工频的是能够通过
直流能够通过去
但是高频噪声
那么在我们 EMI 标准里面
是从 150k-30M
这个频段的噪声全要把它给滤除掉
这就是我们滤波器的一个作用在这里
那么我们怎么来衡量
一个滤波器的性能
这个电阻是多少欧
但是对滤波器我们怎么来衡量它呢
那我们就用一个滤波器的插入损耗
这概念来衡量它
什么意思呢
就是由于滤波器接入电路
所引起的信号功率
或者说是电压或者电流的损耗
和衰竭的程度
就把它定义为这个滤波器的插入损耗
也就是说我插入这个滤波器以后
你的功率衰减了多少?损耗多少?
所以叫做插入损耗
它是这样来定义的
insertion loss 插入损耗
IL=20log(V1/V2)
因为一个 log 单位
它的单位呢就变成 dB 了 分贝
所以插入损耗单位是分贝
V 是什么呢
是没有滤波器的时候
我的负载上面的电压
但是 V2 什么
V2 是我加上滤波器以后
负载上面的电压
这两个电压的比值就是它的衰减量
用 20log dB 来表达
那这个插入损耗呢它是频率的函数
也就说频率不一样
我这个滤波器所表现出来的
插入损耗就不同
这是概念 大家要理解这概念
比如说这个曲线
就是一个 EMI 滤波器
它的共模的插入损耗
你说频率增大了
它的插入损耗呢下降了
缓缓下降了
那所以它并不是频率的常数
它只是一个它的变化的一个函数
它跟频率有关
在一个插入损耗与阻抗有关
我们正常标准都是 50 欧
那是因为在电子系统里面
它的阻抗基本上都是匹配的
或者 50 欧或者 75 欧等等
它都是匹配的
所以呢它用 50 欧来作为一个标准阻抗
那么在我们开关电源里面
我们的 LISN 它是一个标准的
50 欧的阻抗
这没有错就这个是 50 欧阻抗
但是呢我们的电源的阻抗
并不见得是50 欧
所以说我们实际上
我们电源的噪声源阻抗它不会是 50 欧
它就很复杂了
往往比这个阻抗会更小
所以说呢这个电子系统里面的
插入损耗的概念
我们是把它引申到
我们的开关电源这里边来
但是呢这个只是一个引用而已
我们的激励比电子系统里面的还更复杂
因为它不是匹配的
它不是匹配的这意思
那么这张图呢
就是测量一个 EMI 滤波器
它有四个端嘛
它的共模噪声的测量方法
它把 L N 线呢连起来
那就通过 L N 线到大地这样的一条
那么如果是差模噪声
它就通过这样的方法
来测量它的差模噪声
它是从 L 线进去
从 N 线出来这样的噪声
那么我们再来看看滤波器
它的基本电路是什么样
滤波器很简单
它就是由电感跟电容来构成
电感是什么呢
它是一个高阻元件
因为频率越高
ωL 阻抗就越高
所以呢它对于噪声来
说是起了一个阻挡的作用
它是一个大坝
把噪声给你阻挡住
那么这个电感呢又分为
共模电感跟差模电感
共模电感它滤除共模噪声
差模电感阻挡差模噪声
那么还有一个呢就是电容
那电容是什么阻抗呢
它是一个低阻元件
因为 1/ωC 所以呢频率越高
它的它的这个阻抗就越小
它是属于低阻元件
那么低阻元件在我们滤波器里面
它对噪声就起了一个泄流的作用
它没办法阻挡
因为它是阻抗很低
但是呢它起了一个泄流作用
那我的噪声流过以后呢
经过这个低阻回路跑掉了
那还有一部分噪声
在我这个高阻的电感的阻挡下
它就被衰减下来了
所以说呢它造成就分为这两个
一个是堵 一个是疏
所以滤波器一定是
由L跟C这两个元件共同构成的
但是呢我们还要理解
噪声本质上它是一个能量
那如果 L 跟 C 这两个都没有耗能的话
都没有电阻没有耗能的话
这个噪声能量也没办法完全消失掉
但是呢它是通过噪声能量回来了
在这个回来循环的过程中间
通过铁芯的损耗
或者通过回路的电阻的损耗
把噪声把它消耗掉
所以最终噪声是要被消耗掉的
那么这个是滤波器的基本元件
基本元件就是 L 跟 C 这两类
那么电容呢我们又分为
共模电容跟差模电容
本质上它们都是电容
但是呢共模电容由于它是接到大地的
所以呢它还要有一个安规的要求
有一个安规的要求
要能够承受对地的高电压
那么差模电容呢
它接的是在 L 线跟 N 线之间的
它也有一个安规要求
但是它只要承受 L 线
跟 N 线的电压就够了
那它不涉及到人身的安全
因为共模电容是接到地的
它就涉及到人身的安全
那么滤波器的基本拓扑结构是什么
它就是 LC 构成嘛
但是呢还要考虑到
为了使噪声尽量反射
不让它传出去把它反射回来
那么就要求有一个阻抗失配的原则
不是匹配了
而是失配的原则
比如这个这是一个开关电源
我们滤波器呢是连接在 LISN
跟开关电源之间的
也就说我们滤波器从这边看进来
这个 LISN 是一个高阻
不管是差模的 100 欧
还是共模的 25 欧
它都属于高阻
那么从这边来说
它的右边看它是开关电源
那么开关电源的输出阻抗
跟据你不同的拓扑结构
它是不一样的
比如说这个是一个 PFC 电感
PFC 电路它这是一个 PFC 电感
那么由于它是 PFC 电路
所以它这里不能有电容
那么电感就直接
就是对应着我的输出的阻抗了
所以呢它是属于高阻的
可如果我这是一个 DCDC 变换器
这是一个电容 是一个直流的电容
那么它所表现出来的呢就是一个低阻
是一个低阻抗
或者如果我没有这个 PFC 电路
不是 PFC 功能的话
那么我输出输入呢有一个电容
有一个 BUS 电容
它也表现为低阻
因为电容是表现为低阻的
那么在这样情况下
我们就跟据这个阻抗失配原则
你高阻那么我滤波器往这边看的
就必须是低阻
那就必须接电容
这边呢也是一个电容
但是这边就不一样了
你是高阻
我这边呢就要是低阻
就要是一个电容
你是低阻我这边就要是个高阻
我就要是一个电感
那么这就决定了我们滤波器
它的一个基本结构是什么样的
就跟据阻抗的失配原则来决定
那么我们来看一看滤波器
有一阶跟二阶甚至更高阶
那一阶是最基本的
它的基本的结构就是这样子
这里面呢包含了差模跟共模两类滤波器
那如果我们把它分离出来
把它只看着它的共模
那共模什么意思呢
就是 L 线跟 N 线合起来
对大地的那个等效电路
我们就把 L 线跟 N 线合起来
那么这就是地
这时候呢 50 欧跟 50 欧并联起来了
因为 L 跟 N 是连在一起了
那就变成25欧
那么CY1跟CY1这两个也是并联的关系
所以就两倍的CY1
那么CY2跟CY2也是并联变成两倍的CY2
那么CX1这实际上是一个差模电容
由于我L线跟N线是连在一起了
所以这个电容就不起作用了
所以就不在这里面了
那 CX2 呢也一样
它也不在这里边了
那么 LCM 呢就是一个
共模滤波电感 共模电感
那么由于 L 线跟 N 线连在一起
它就等于是一个电感叫做 LCM
那么这就形成了一个共模的等效电路
那么这边是共模的干扰源
形成了这样的电路
那么首先我们来看差模
差模跟地就没关了
它就是 L 线跟 N 线之间了
就 L 线跟 N 线之间了
那么这时候呢它就
这两个电阻就串联了
50欧跟50欧就串联了就变成了 100 欧
那么 CX1 就在这边 L 线跟 N 线之间
CX2 在这之间
那么CY1跟CY1按理说
它是可以把它串联起来的
但是一般来说 CY1<
所以呢我们就把这个呢把它忽略掉
本来的话是要放的
因为它也是串在这个 L N 线之间
把它忽略掉
所以呢就形成了
这样的一个差模的等效电路
所以它们的这个图看起来很复杂
但是等效出来
它就是一个简简单单的 Π 型滤波器
就是 Π 型滤波器
那当然这里面的阻抗
到底是电感还是电容
要看你的阻抗的失配原则
那么对于一阶的 EMI 滤波器
那么我们可以进一步分析
它的一个插入损耗
它基本上可以近似的
看成是这样的一条线
红的是真正的
但是把它近似看成是这样一条线
那么这里面就有两个参数
一个呢叫做转折频率
Turning frequency 就是转折频率
转折频率是由这几个参数来定的
就 LDM 跟 CS1 CS2
以及负载的阻抗一百欧来决定的
这里是开三次方
那么就把这这一点
零拉过来的这个频率给定了
坐标频率给定了
那么第二个呢是它的斜率
它的衰减程度
它是以每十倍频 -60dB 在衰减的
因为它是三次方
它有三个滤波元件
它就是三次方
一个滤波元件是 20dB
三个加起来就 60dB
它有这样的一个特性
那如果我的一阶滤波器插入损耗不够大
那怎么办
我就要用到二阶
那二阶呢就是多了一级了
那么这时候呢
它的转折频率就变成这样的一个函数了
它是开五次方
那么在这两个乘积
在相同的 LC 乘积下面
当然开五次方就更小了
这个转折频率就更低了
所以呢它就会这个就转折频率
FCDM 就会更小
那这是一点
第二点呢
由于它有五个这个储能元件
或者五个滤波元件
所以呢一个是 20dB
五个就 100dB
所以呢它就会以
每十倍频 100dB 的速率在下降
所以这两个比起来
一个是转折频率提前了
一个是衰减更厉害了
所以呢二阶滤波器呢
要比一阶滤波器具有更大的带宽跟衰减率
但是我们要记住
这些都是在理想的L跟C的情况下
那我们再来看看 CY 电容的作用
在开关电源里面
CY 电容经常用到
那么 CY 电容放哪里呢
一般是放在原边绕组的静点
这个是原边的静点跟副边的静点之间
这是一个 CY 电容
所以如果从这个等效图上来看
我把 CY 电容接在这里
那么原来的噪声呢
它是从这个地方
到副边的地 回到 LISN 是吧
形成了我的共模噪声
那现在呢我增加了一条回路 CY 回路
只要我这个 CY 足够大
那么这个阻抗足够小
它就把大部分的噪声呢
就从这个电容上 CY 上分流了
所以 CY 电容它直接把
经由变压器副边传导的共模噪声
从 LISN 上分流一部分出来
那就是我的这个电压就会降低
所以从等效图上来看
很明显 CY 电容是寄在这个地方的
所以呢它的噪声源
经过变压器的原副边电容流过来了
大部分噪声呢从 CY 电路上走掉了
那只有一部分小一部分呢
会通过我的 20 欧电阻表现为噪声
那理论上讲
如果我的 CY 足够大
或者说 CY 是短路的
那么只要把这两点一短路掉了
那么噪声源通过变压器
原副边电容产生噪声就不存在了
但是变压器是隔离的作用
所以原副边是不可能短路的
所以这个就是一个矛盾的地方
所以说呢我们对 CY 电容
它还要满足一个工频漏电流的安规要求
也就是它不能太大
所以说我们在设计中间
尽量把 CY 电容用足
因为 CY 电容对抑制变压器的噪声
变压器的这个共模噪声
是非常有效的一个办法
但是呢要受到这个漏电流
就是工频漏电流的要求
所以 CY 电容是有限的
这节到这里
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未学习 1.1 功率变换器的电磁干扰特性
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未学习 1.2 电场基本概念
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未学习 1.3 电场中的导体、电容、电场屏蔽
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未学习 1.4 差模传导电磁干扰噪声分析
-
未学习 1.5 共模传导电磁干扰噪声分析
-
未学习 1.6 磁性元件分布参数及其高频特性
-
未学习 1.7 EMI滤波器与插入损耗
-
未学习 1.8 共模滤波电感器