EMI滤波器设计(上)
工欲善其事,必先利其器,在学习 EMI 滤波前,我们需要认识相关的元件——共模电感、差模电感、X电容、Y电容,同时我们也要考虑为了加快 X 电容的泄放速度其加入电阻的阻值。因此,上篇将围绕着相关元器件和 EMI 的一些专有名词进行解释和分析。
【参考文章】
A-EMI电路的选型计算.pdf
B-X电容放电电阻的计算.pdf
电磁干扰三要素和干扰途径
三要素为:噪声源、传播路径、敏感设备
传播路径又可以分成三大类:传导电磁干扰、近场耦合、空间辐射
传导电磁干扰可以分为差模噪声和共模噪声
差模噪声(DM) 是通过电路中的电流纹波引起的,在 L 线和 N 线中形成回路,因为回路清晰,得到回路中的阻抗较简单,因此差模干扰比较好处理
共模噪声(CM) 是由电压跳变点通过对地的分布电容产生了位移电流,经过大地、L 线、N 线形成回路,因此想要解决共模噪声就需要分析电压跳变点的对地电容内阻抗,进而得出改进方法。
对于一个 EMI 滤波电路,有很多元器件,其实目的就是为了降低共模噪声和差模噪声,因此我们可以先画出噪声路径:
- 差模路径
2. 共模路径
我们可以看到,两个噪声的路径上,都有电感参与,可是我们只接了一个共模电感啊,为什么会有差模电感出现呢?这就是共模电感的一个特性了,这份疑惑,将在下面元器件介绍时,为大家解开。
EMC 标准
我们需要知道,我们的产品在不加入 EMI 滤波器时,从 150kHz 到 30MHz(甚至更高)在输入端所产生的噪声曲线,也需要知道 EMC 标准要求下,最大可接受的噪声曲线。配置 EMI 滤波器就是将输入端噪声曲线完全低于最大可接受曲线。
根据EN55022标准,分成了两个级别:
Class A 限值:适用产品放置于工业等非家用、非居民区环境条件,比如:电信中心机房内部各种设备
Class B 限值:适用产品放置于居住,商业,轻工业环境条件,比如:便携类设备,终端设备,户外设备等。
一般的,150k ~ 30M 都是传导电磁干扰、近场耦合所引起的。
30M ~ 1000M是空间辐射所引起的。


EMI 常见电器元件
共模电感
共模电感的滤波电路,La(上图上端)和Lb(上图下端)就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上,**匝数**和**相位**都相同(绕制反向)。这样,当电路中的正常电流(差模)流经共模电感时,(根据右手定则)电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。
我们由此也看到,共模电感起到抑制差模信号的效果是靠其漏磁实现的,漏磁越大,磁芯偏磁就容易饱和,一旦饱和电感就会失去电感的特性,因此共模电感的漏磁并不是越大越好。一般的,当接上共模电感后仍存在较大的差模噪声,就会加入差模电感。
差模电感就是常见的电感,这里就不再赘述介绍差模电感部分。
X 电容
X 电容直接接在零线和火线之间,能够抑制差模噪声,一般的电容容量是 nF 级别,根据标准 IEC 60384-14 的,按照其耐压值的能力不同, X 电容分为 3 个级别:
一般的,我们都采用 X1 和 X2 级,Peak Voltage Pulse 并非日常使用电压,而是突发情况下(比如雷击),最大能承受的电压。
Y 电容
Y 电容即接在零线与地线或火线与地线之间,旨在抑制共模噪声,一般电容容量也是 nF 级别,根据标准 IEC 60384-14,按照耐压能力不同,Y 电容分为 4 个级别:
一般的,我们都使用 Y1 和 Y2 级,Y 电容一般小于 4.7nF,因为我们要考虑到漏电流的事情,前面说过,Y 电容时接在零线和地线 or 火线和地线之间的,在大型设备中,有时其并不会直接和地线相连,而是和金属机壳相连,金属外壳再和大地相连。如果有人触碰金属外壳,漏电流太大,人就会成为导体而触电。因此为限制漏电流,选取 Y 电容需要格外注意:
- Ileak即为漏电流-一般限制在 0.35mA~0.5mA,也要高要求的,比如 0.2mA
- f为工频电压
- Vpeak为特殊情况下(比如雷击),电压峰值-一般我们取 2000~3000V
X 电容放电电阻计算
为保证信息技术设备的安全,国家制定了 GB4943-2011(等同于 UL60950)标准,在 2.1.1.7 中介绍到了对一次电路的电容器放电要求
UL60950 指标也标准 X电容,需要满足电容泄放电测试:
也就是说,我们需要保证电容可以在 1s 内,将输入电压快速降至 37%以下,电容放电在没有负载时放电很慢,但是接上负载后,其放电速度就会大大提高!
- Vt 即在 t 时间后,电压值
- E 为初始输入电压
那么,安装标准所述的要求,我们将 t = 1s,Vt = 0.37E 代入式中——
一般我们取 RC = 1 即可。由此我们可以知道,至少要保证RC=1。
下图是 X 电容和其并联的电阻,其中C = 100nF,R = 470k+470k = 940k,得出RC = 0.94
RC = 0.94 ≤ 1完全符合设计标准。

