电源滤波器工作原理和设计过程分析

2018-08-09 17:09:11 来源:elecfans
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本文主要介绍的就是关于电源滤波器的设计,为你揭晓设计电源滤波器过程中的方方面面。

 

电源滤波器

电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又名“电源EMI滤波器”,或是“EMI电源滤波器”,一种无源双向网络,它的一端是电源,另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络:电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大,对电磁干扰的衰减就越有效。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。


电源滤波器工作原理

电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。电源滤波器的功能就是通过在电源线中接入电源滤波器,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。

 

利用电源滤波器的这个特性,可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波,变成一个特定频率的正弦波。

 

大功率电源的滤波器如Satons、UBS、变频器等将会产生大量谐波电流,这类滤波器需采用有源电力滤波器APF。APF可对2~50次谐波电流进行滤除。

 

电源滤波器结构

电源滤波器一般都设计为只由电阻、电容及电感组成的被动滤波器,没有像晶体管之类的主动元件。右图是一个电源滤波器的例子,电源滤波器的上方接电源,电源端有一个共模电感,也就是电源的二条线依同一个方向绕在铁心上,电源线上若有共模讯号,其在共模电感产生的磁场会相加,因此有较大的阻抗,而差模讯号在共模电感产生的磁场会互相抵消,因此可以流过共模电感。电源流过的电流主要是差模的,但上面也可能会噪声以差模的形式出现,若要抑制差模噪声,需要另外使用差模电感,或是各相有个别的电感器。

 

在电源滤波器上会使用特别的安规解耦电容,分为X电容及Y电容二类:

 

X电容:抑制差模干扰(电源线之间的干扰)。

 

Y电容:抑制共模干扰(各组电源线对地之间的干扰)。

 

由于Y电容提高会使电器的漏电流增加,而电器的漏电流有其规定范围,因此Y电容不能太大,一般都会比X电容要小。

 

X电容和Y电容属于安规电容,即其失效后不会造成电击,也不会影响人身安全。二者都有自我复原(self-healing)作用,会使局部短路的部份恢复原来的绝缘状态。

 

电源电源滤波器设计

本文结合研究和设计电源滤波器的实践,在简化电源滤波器设计过程的同时,仍能满足实际应用场合的需要。

 

电源滤波器中共模扼流圈内磁通的分析 

电源滤波器中共模扼流圈的作用,一般采用以下论述:“共模扼流圈管芯两侧的磁场相互抵消,因此不存在磁通使管芯饱和”。尽管这种论述对共模扼流圈作用的直觉叙述具体化了,但实质并非如此。因为根据电磁场理论中的麦克斯韦方程,可以得到以下结果: 

 

假设电流密度J产生磁场H,则附近的另一个电流不会抵消或阻止磁场或由此而产生的电场; 同样一个相邻的电流可以导致磁场路径的改变; 

 

在环形共模电感的特殊场合中,每条引线中的差模电流密度可假定是相等的,且方向相反。由此而产生的磁场必定在环形磁芯周边上的总和为零,而在其外部的总和则不为零。

 

磁芯的作用就好像它在线圈绕组的间隙处裂为两半时所表现出来的效果一样。每个绕组在环形线圈一半的区域内产生磁场,意指穿过空气的磁场必定会形成自封闭回路。图1是环形磁芯和差模电流磁路的示意图。 为了得到共模电感,同时使差模电感最小,设计时最好采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈。采用较大的螺旋管磁芯(并非一定要采用这样的磁芯)可在共模扼流圈内并入有效的差模电感。由于差模磁通是远离磁芯(环形结构)的,因此可能会产生极强的辐射,尤其是滤波器安装在印刷电路板( PCB)上时,这种辐射可以耦合到电源线,使传导发射增强。当磁性材料被带到场内时(例如环形磁芯放置在铁壳里),差模磁导率就会显著地增加,从而由于差模电流导致磁芯的饱和。

 

 

为了实现有效的滤波器设计,必须解决磁通离开磁芯引起的辐射问题。具体解决办法有两种:或将差模磁通限制在磁性结构物体中(壶形铁芯),或为差模磁通(E形铁芯)提供一条高磁导率的路径。 电源滤波器设计参数的选取 

 

由于电源滤波器接主电源线,因此在设计中除了要考虑源阻抗和负载阻抗不匹配的因素之外,还必须考虑其对串联电感的电感量和并联电容的电容量的严格限制。滤波器中所采用的串联电感受到电源频率下允许电压降的限制,不能选择太大;并联的滤波电容受到允许接地漏电流的限制,也不能选择太大。由于以上限制,往往很难同时满足对滤波器插入损耗的要求。 电源EMI滤波器允许的最大串联电感  

 

设滤波器中串联电感器的电感量为L,等效电阻为R,电网频率为ωm,网侧额定工作电流为Im。在电网频率下,电感器上的压降为:

 

 

考虑到电网中可能产生的浪涌电流的影响,通常ΔU被限制在额定工作电压的10%以内。若忽略R上的电压降,设允许电感器上的电压降为ΔUmax,则允许的最大串接电感值为:

 

 

电源EMI滤波器允许的最大滤波电容 

电源EMI滤波器中的滤波电容器通常接在相线与大地之间。该电容容量过大时将造成漏电流过大,从而危及人身安全。其漏电流值为:

 

 

由式(3)可得到在电源EMI滤波器中允许采用的滤波电容为:

 

 

式中:Um为电网电压,V;fm为电网频率,Hz;Ig为允许的接地漏电流,mA。 

 

基于以上分析,对电源滤波器中串联电感及并联电容最大值的限制,可以得到LC乘积的最大值为:

 

 

对于小功率的电子设备而言,LmaxCy,max的值通常为100μHμF,这是一个非常小的数值。以单级LC滤波器为例,为简化分析,用电压衰减来代替插入损耗,可得此时插入损耗为:

 

 

若取LmaxCymax值为100μHμF,频率为150kHz,则插入损耗为:

 

 

电源滤波器的安装 

电源滤波器的安装质量对衰减特性影响很大,只有将滤波器正确地安装在设备上,才能获得预期的衰减特性。 

 

滤波器的安装应遵循以下几个原则: 

(1)电源供电线路的电源滤波器应安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处,并对滤波器加以屏蔽,屏蔽体应与设备壳体良好搭接; 

 

(2)对于城市轨道交通等载运工具,电动机以及各种电器开关装置等干扰源应与其电源滤波器安装在同一屏蔽箱体内,滤波器装在电源入口处,电源输入线不应在箱体内裸露; 

 

(3)滤波器中电容器引线应尽可能短,以避免感抗与容抗在较低频率上发生谐振,电容应与其它元件正交安装,减小相互间耦合; 

 

(4)滤波器的接地导线上有很大短路电流通过,会造成有害电磁辐射,因此滤波器抑制元件自身要进行良好的电磁屏蔽和接地处理; 

 

5)滤波器的输入和输出引线不能交叉,在输入引线和输出引线之间应有屏蔽层,否则会降低滤波器的滤波特性。

 

结语

电源滤波器中共模扼流圈内既存在共模磁通也存在差模磁通。为了得到共模电感,同时使差模电感最小,设计时最好采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈,另外必须解决磁通离开磁芯引起的辐射问题。 

 

在电源滤波器设计中除了要考虑源阻抗和负载阻抗不匹配的因素之外,还必须考虑其对串联电感的电感量及并联电容的电容量的严格限制,以满足对滤波器插入损耗的要求。

 

关于电源滤波器的相关设计就介绍到这了,希望本文能对你有所帮助。

 
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