【導(dǎo)讀】模塊化電磁兼容濾波器通常添加在交流入口到終端設(shè)備。電流和衰減額定值有很多種，包括有或沒有保險(xiǎn)絲和開關(guān)的版本。低泄漏零件也可用于醫(yī)療應(yīng)用。本文介紹了濾波器的功能以及如何將其與預(yù)期的應(yīng)用匹配以獲得最佳效果。
條款
對(duì)于交流電源供電的設(shè)備，通常使用模塊化AC線路濾波器，安裝在連接器上或作為機(jī)板安裝部件，特別適用于在工業(yè)、醫(yī)療和通訊等專業(yè)環(huán)境中。該設(shè)備通常包括嵌入式AC-DC轉(zhuǎn)換器或電源，也可以是機(jī)板安裝式，有時(shí)是機(jī)架安裝式或板上PCB安裝式。在每種情況下，電源將始終滿足作為獨(dú)立部件的排放的法定要求，通常為傳導(dǎo)和輻射干擾的EN55011/EN55032標(biāo)準(zhǔn)。
有人可能會(huì)問，為什么可能需要額外的過濾模塊，但經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)備設(shè)計(jì)師早就知道，僅僅使用兼容組件并不能保證最終產(chǎn)品的EMC合規(guī)性“通過”。原因是多種多樣的：例如，對(duì)設(shè)備AC-DC轉(zhuǎn)換器的符合性測(cè)試是在假定的交流線路阻抗、輸出負(fù)載、電纜長(zhǎng)度和布線以及部件相對(duì)于地面的位置等非常特殊的條件下進(jìn)行的。當(dāng)最終產(chǎn)品在內(nèi)部安裝的AC-DC轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所有這些條件都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同且通常更糟糕的傳導(dǎo)EMI信號(hào)。來自其他組件的輻射EMI也可以通過電力電纜接收，從而增加傳導(dǎo)水平。
模塊化濾波器可使系統(tǒng)符合電磁干擾
一個(gè)外部模塊化濾波器可以是解決方案，但是，有數(shù)百個(gè)可供選擇，哪一個(gè)是最佳的？讓我們首先看一個(gè)典型的商業(yè)濾波器的內(nèi)部電路，并考慮每個(gè)組件是如何貢獻(xiàn)的（圖1）。
圖1：典型的模塊化EMI濾波器示意圖
電容器CX衰減差模噪聲、信號(hào)和由轉(zhuǎn)換器內(nèi)電流快速變化產(chǎn)生的從線到中性點(diǎn)出現(xiàn)的尖峰，其額定值為X1、X2或X3，以承受交流線上的電壓瞬變。L是共?；螂娏餮a(bǔ)償扼流圈，有兩個(gè)相位繞組，如圖所示。共模噪聲，由轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電壓的快速變化產(chǎn)生，從線路和中性點(diǎn)到接地，將扼流圈視為高阻抗，每個(gè)CY電容器將噪聲電流轉(zhuǎn)移到接地。通過扼流圈上兩個(gè)繞組的正常運(yùn)行電流會(huì)導(dǎo)致磁芯中的磁場(chǎng)抵消，因此可以使用高電感值而無需擔(dān)心磁飽和。通常，L繞在繞組之間的耦合不夠完美，因此會(huì)產(chǎn)生一些漏感，表現(xiàn)為一個(gè)單獨(dú)的串聯(lián)電感，這會(huì)增加差模衰減。
雖然CX可以是實(shí)際限制范圍內(nèi)的任何電容值，但這兩個(gè)CY值受接地漏電電流要求的限制，并且有Y1、Y2、Y3和Y4類型，額定工作電壓和瞬態(tài)電壓降低。通過Y電容器的漏電流是一個(gè)潛在的問題，因?yàn)樗鼈兛缭搅艘粋€(gè)安全屏障-線路和中性點(diǎn)接地。如果與設(shè)備金屬件的保護(hù)接地連接出現(xiàn)故障，則外殼通過Y電容器“浮動(dòng)”至線路電壓，并可能導(dǎo)致電擊。因此，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境所用的標(biāo)準(zhǔn)，Y電容器的值被限制為允許不超過規(guī)定的電流流動(dòng)。限制范圍從工業(yè)領(lǐng)域的幾十毫安到心臟漂浮醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的小于10微安不等。
R1是一個(gè)高值電阻，如果突然斷開交流電源，并且不能依靠負(fù)載來耗盡電荷，則通常為1兆歐以放電CX，從而在交流連接器引腳上留下潛在的危險(xiǎn)電壓。IEC 62368-1等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于CX>300nF，R1應(yīng)在2秒后將電容器放電至60V以下，對(duì)于CX<300nF，允許更高的電壓。對(duì)于只有經(jīng)過培訓(xùn)的人員才能接觸到的設(shè)備，允許的電壓限值也更高。其他標(biāo)準(zhǔn)則有所不同，例如，醫(yī)療設(shè)備的IEC 60601-1要求在1秒后放電小于60V，但如果CX小于100nF則沒有要求。IEC 62368-1等標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)電阻器提出了要求，如果電阻器安裝在保險(xiǎn)絲之前，則電阻偏差不超過10%的情況下，電阻器能夠承受瞬態(tài)電壓。因此，R1將是高規(guī)格零件。在某些應(yīng)用中，R1在正常條件下的功耗是符合美國(guó)能源部（DoE）和歐洲ErP指令等機(jī)構(gòu)規(guī)定的待機(jī)或空載損耗限制的限制。
圖1所示的保險(xiǎn)絲可以包括在模塊化濾波器中，特別是面板安裝類型，如流行的IEC320-C14類型（圖2）。
圖2：典型的保險(xiǎn)絲面板安裝EMI濾波器
在商業(yè)應(yīng)用中，線路中的單個(gè)保險(xiǎn)絲是正常的。如果熔絲元件符合標(biāo)準(zhǔn)，則簡(jiǎn)化所述下游組件（如R1）的規(guī)格。一些應(yīng)用，如醫(yī)療設(shè)備和Class II通訊類，要求線路和中性點(diǎn)都要熔斷，以覆蓋連接意外反轉(zhuǎn)的可能性，在單一熔斷器情況下，這將使帶電線路未熔斷，并依賴于電源開口中的上游熔斷器或斷路器，從帶電到保護(hù)接地短路。這些上游設(shè)備的額定電流值可能很高，以保護(hù)多個(gè)負(fù)載的布線，并且不能保證在設(shè)備故障時(shí)快速打開，從而可能導(dǎo)致火災(zāi)。雙熔斷確實(shí)有缺點(diǎn)，但是，線對(duì)中性點(diǎn)的過電流可能只會(huì)打開中性點(diǎn)熔斷器，使設(shè)備表面上死掉，但內(nèi)部仍然有帶電連接。
選擇濾波器
濾波器的機(jī)構(gòu)圖是一個(gè)自然的起點(diǎn)；根據(jù)應(yīng)用要求，可采用帶螺釘或卡入式安裝的IEC輸入插座，帶有開關(guān)選項(xiàng)和無保險(xiǎn)絲、一個(gè)或兩個(gè)保險(xiǎn)絲。對(duì)于C14，IEC入口類型的額定值為10A，對(duì)于C20，額定值為16A，機(jī)板安裝部件的額定值為20A及更高。機(jī)板安裝式濾波器，通常具有6面屏蔽，以及直接固定到導(dǎo)電接地金屬制品，提供非常有效的EMI衰減。
對(duì)于所有類型產(chǎn)品而言，醫(yī)療版本都可以省略Y電容器，以將漏電流降低到最大5μA。這必然意味著共模衰減減小，并且可能需要在其他地方進(jìn)行補(bǔ)償，例如通過級(jí)聯(lián)濾波器。
額定電流可以很容易地從給定的最低輸入電壓和負(fù)載功率因數(shù)的負(fù)載功率要求計(jì)算出來。例如，在90VAC下，濾波器上的負(fù)載為200W，功率因數(shù)為0.9，將產(chǎn)生200W/（0.9 x 90VAC）=2.47A的電流，在這種情況下，可選擇3A額定濾波器。
從濾波器中選擇所需的衰減最好是在不安裝濾波器的情況下測(cè)量性能，然后計(jì)算從外部濾波器中需要的額外值。濾波器數(shù)據(jù)表中的衰減曲線給出了性能指示，但要記住，數(shù)據(jù)表的性能是在規(guī)定的測(cè)試條件下，通常是50歐姆源和負(fù)載阻抗。盡管AC-DC電源可以通過使用線路阻抗穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò)（LISN）實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，但應(yīng)用負(fù)載可能會(huì)有很大的不同。在交直流電源中，與內(nèi)部濾波器級(jí)聯(lián)的濾波器模塊也可能導(dǎo)致意外的結(jié)果，產(chǎn)生潛在的共振，甚至可能導(dǎo)致在臨界頻率下的電磁干擾放大。例如，EMI圖取自XP Power的典型AC-DC轉(zhuǎn)換器，部件PBR500PS12B在230VAC和180W下運(yùn)行，如圖3所示。該圖顯示符合EN 55032曲線B準(zhǔn)峰值檢測(cè)排放限值線。然后將濾波器插入XP Power FCSS06SFR型交流線路，其衰減特性如圖4所示。虛線為差模和實(shí)線共模衰減。結(jié)果的總體結(jié)果如圖5所示。
圖3:AC-DC電源，僅限內(nèi)部濾波器
圖4:XP FCSS06SFR型模塊化濾波器
圖5：添加外部濾波器的AC-DC電源
可以看出，高達(dá)約1MHz時(shí)，濾波器衰減使發(fā)射降低了預(yù)期量，但在10MHz及以上時(shí)，改善并不一致，這意味著模塊化濾波器在這些頻率下沒有“看到”50歐姆作為終端，并且給出的衰減比預(yù)期的要低。這證實(shí)了進(jìn)行實(shí)際測(cè)量以確認(rèn)合規(guī)性的必要性。
咨詢專家
要避免在最終產(chǎn)品測(cè)試中出現(xiàn)代價(jià)高昂的失敗，在最早階段就讓EMC法規(guī)遵從性得到正確的執(zhí)行是至關(guān)重要的。解決方案不僅僅是在交流入口安裝一個(gè)超大的模塊化濾波器，這會(huì)增加不必要的成本，甚至?xí)m得其反，產(chǎn)生意想不到的衰減效果。作為電源制造商的XP Power，我們可以幫助客戶選擇AC-DC電源產(chǎn)品系列，采用模塊化濾波器，其電流額定值為1至20A，采用機(jī)板安裝式和IEC輸入格式。我們的產(chǎn)品可用于通訊、工業(yè)和低泄漏醫(yī)療應(yīng)用，更多的應(yīng)用還包括用于大電流三相應(yīng)用的濾波器。如果需要，單級(jí)和雙級(jí)部件可用于增強(qiáng)衰減和定制版本。
XP Power還為客戶提供全面的應(yīng)用支持，幫助他們?cè)谌蚨鄠€(gè)地方設(shè)計(jì)和免費(fèi)使用其內(nèi)部的EMC預(yù)合規(guī)性測(cè)試設(shè)施。
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