電磁爐ＥＭＩ濾波器的設計與應用

摘要：當電路中有電壓存在時，在所有帶電的元器件周圍都會產生電場，當電路中有電流流過的時候，在所有載流體的周圍都存在磁場，所有的電子和電氣設備都是潛在的電磁干擾(EMI)源。本文在電磁干擾未到達被干擾設備前，根據其傳播的特點，采用各種手段將傳播切斷或削弱，遲到抑制干擾的目的。干擾經導線直接傳導耦合到電路中是最常見的。抑制由導線直接傳導的干擾，主要措施是串接濾波器。

關鍵字：電源濾波器；共模干擾；差模干擾；EMI

引言

一個好的電子產品，除了產品自身的功能外，電路設計和電磁兼容(EMC)設計的水平，對產品的質量和技術性能指標起到非常關鍵的作用?，F代的電子產品，功能越來越強大，電子線路也越來越復雜，電磁干擾和電磁兼容性問題成為人們迫切需要關注和解決的一個重要技術問題，發達國家已經把電磁兼容作為一種非關稅貿易壁壘來保護他們的市場。

EMI濾波器的設計

濾波技術的基本用途是選擇信號和抑制干擾。濾波是壓縮信號回路干擾頻譜的一種方法，當干擾頻譜的成分不同于有用信號的頻帶時，就可以用濾波器將無用的干擾過濾減小到一定程度，使傳出系統的干擾不至于超出給定的規范，使傳人系統的干擾不至于引起系統的誤動作。濾波器將有用信號和干擾頻譜隔離的越充分，它對減小有用信號回路內干擾的效果就越好。因此，恰當地設計濾波器對抑制傳導干擾是極其重要的。

EMI濾波器設計原則

濾波器的設計既可以用電抗組件實現，也可以用吸收組件實現。前者將不需要的干擾信號反射回去，后者將不需要的干擾信號吸收掉。反射式濾波器通常由電感或(和)電容這兩種電抗組件組成，使在通帶內提供低的串聯阻抗和高的并聯阻抗，而在阻帶內提供高的串聯阻抗和低的并聯阻抗。反射式濾波器就是利用LC建立起一個高的串聯阻抗和低的并聯阻抗，把干擾頻率成分的能量反射回信號源而達到抑制干擾的目的。

濾波器的有效性取決于與濾波器連接的前后網絡的阻抗。要達到有效地抑制EMI信號的目的，必須根據濾波器兩端連接的EMI信號的源阻抗和負載阻抗合理連接。

如圖1所示，當濾波器的輸出阻抗z_out與負載電阻z_L相等時，兩者匹配，此時負載無反射。當z_L≠Z_out時，電路失配，則終端會產生反射，我們定義反射系數r為

r=(z_out-z_L)／(Z_out+z_L)(1)

當負載含有電抗時，反射系數是復數。反射系數與衰減的關系是

A_r=-1O1g(1-IrI²)(2)

工程應用中，常用反射系數r來表示通帶內的最大時配情況。

設圖2中濾波網絡是電源EMI濾波器，用表示源端對濾波網絡的反射系數，r₂表示負載端對濾波網絡的反射系數，分三種情況討論：

①對電源頻率50Hz、60Hz或400Hz的交流信號而言，要求濾波網絡無損耗傳送。即：

f₁=f₂=0，z_s=z_in，Z_L=z_out

②為了濾除電網傳來的EMI信號，要求：

Z_s=z_in，r₁=0，電網上的干擾傳人網絡；

z_L>>Z_out，F₂=1，濾波網絡全部吸收干擾(從負載全反射)。

③為抑制電子設備內產生的EMI信號，要求濾波網絡：

Z_L=Z_out，F₂=0，電子設備中的干擾傳入網絡；

z_s>>z_in，f₁=l，網絡全部吸收電子設備中的干擾。

由于電源系統阻抗值和干擾源的阻抗值隨時間、場合和頻率大范圍內變化，難以設計一個濾波網絡，同時滿足上述三個要求。但是對EMI信號的反射，會增加對EMI信號的衰減，其數值可以用式(2)計算，以實現對EMI信號有效的抑制。

根據EMI濾波器的基本原理和上述設計原則，為某電磁爐產品設計的EMI濾波器原理圖如圖2所示：

EMI濾波器的參數確定

1．殘余電壓釋放電阻R取值

在允許的情況下，電阻取值越小越好，根據實際情況考慮以下因素：

①電阻要求采用二級降額使用，保證可靠性。降額系數為0．75、0．6W。根據歐姆定律可求出R>(0.75V_e)／(0．6P_e)。

②經過雷擊浪涌后有殘余電壓，其瞬時值一般在1000V取值；其瞬時功率不能超過額定功率的4倍，可求出R>(V_cy)／(4p)。

③電阻要與c_x電容器配合使用，使時間常數r=R·c_x小于2秒。當電容充放電時間等于T時，c_x電容器兩端的電壓上升或下降是最大值的63％。

綜合考慮，一股情況下，電阻R取值在75K Q～200k Q之間，功率為2W-3W的金屬膜電阻。

2．c_x電容器取值

c_x電容器是指該電容器失效后，不會導致工作人員遭電擊、不危及人身安全。電容器兩端必須并聯安全電阻，用于防止電源線拔插時電源線插頭長時間帶電。安全標準規定，工作中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內，電源線插頭兩端電壓(或對地電位)必須小于原來電壓30％。電容器上除加有電源額定電壓外，還會迭加上L和N之間存在的各種EMI信號峰值電壓。根據電容器應用的最壞情況和電源斷開的條件，c_x電容器的安全等級分為x₁和x₂兩類，見表1。

C_x電容器一般選用紋波電流比較大的聚酯薄膜安全電容，這種電容體積一股都很大，但其允許瞬間充放電的電流很大，即：內阻比較小。普通電容器紋波電流指標一般都很小，動態內阻比較大，用普通電容器代替c_x電容器，除耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標也是難以滿足要求的。c_x電容器一般取值在1uF～5uF之間。電容的耐壓值必須經過雷擊浪涌后取值，浪涌殘壓瞬時值在1000V／s時電容不損壞，按二級降額的原則選取，取值在275V。

3．c_y1、C_y2電容器取值

這兩個電容器會引起設備漏電或機殼帶電，容易危及人身安全，它們都屬于安全電容，其容量不能大，一般取值在2200pF～4700pF之間(對每個電容)，并且要求耐壓很高，否則，機器將會漏電。電容的耐壓值必須經過雷擊浪涌后取值，殘壓瞬時值在1000V／s時不損壞，按二級降額的原則選取，取值在275V。

電容器頻率特性與電容的取值有關，取值越小，頻率特性越好。c_x電容器和c_y電容器，一般都是通過較小的電容器并聯來滿足容量的要求，這樣濾波器的高頻特性好。

4．電感器取值

從以下幾個方面考慮電感器材料的選?。旱谝唬判静牧项l率范圍寬，要保證最高頻率在1GHz，即在很寬的頻率范圍內有比較穩定的磁導率；第二，磁導率高，實際中很難滿足這一要求，所以，磁導率通常分段考慮。共模線圈磁芯材料一般選用鐵氧體環形磁芯，環形磁芯適用于大電流小電感量，它的磁路比E形和u形長，沒有間隙，用較少的圈數可獲得較大的電感量，由于這些特點它具有較佳的頻率特性。電感量的估算應考慮阻抗和頻率。通常共模線圈取值在1．5mH-5mH之間，差模扼流圈取值為10uH-50uH之間。

設計電源EMI濾波器時，因為它們工作在高電壓、大電流、惡劣的電磁環境中，首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對于電感線圈，其磁芯、繞線的材料，絕緣材料和絕緣距離、線圈溫升等都應予以重視。對于電容器，其電容種類、耐壓、安全等級、容量、漏電流等都應優先考慮，特別要求選擇經過國際安全機構安全認證的產品。

EMI濾波器的安裝

電源EMI濾波器對電磁干擾的抑制作用不僅取決于它的設計和工作條件，而且取決于濾波器的實際安裝情況。電源EMI濾波器的安裝質量對濾波效果影響很大，只有安裝位置恰當，安裝方法正確，才能對干擾起到預期的濾波作用。安裝時要注意以下幾點：

①安裝位置要依據干擾的侵入途徑確定。當只有一個或很少幾個干擾源影響多個敏感設備時，應在干擾源一側接人濾波器，這樣不僅可以減少使用濾波器的數目，而且可以使干擾局限于干擾源附近，降低對低電平線的要求。反之，當只有一個敏感設備而有多個干擾源時，濾波器應安裝在敏感設備一側。如果干擾來自電源線輻射，則應在電源出口處安裝濾波器，否則輻射干擾將通過各種途徑侵入敏感設備。

②濾波器的輸入配線和輸出配線應盡量遠離，日．屏蔽隔離，以最大限度地減小輸入輸出之間的耦合電容，減小其旁路作用引入的傳導干擾與輻射干擾。

③濾波器必須設有良好的高頻接地，否則，當濾波電容與地線阻抗諧振時，將產生很強的干擾，降低高頻濾波效果。為此，濾波器多采用機殼直接接地。

④濾波器的所有連線特別是地線應盡量短，并按順序布置。

EMI濾波器的測試結果

EMI濾波器按形狀可分為一體化式和分立式。一體化式是將電感線圈、電容器等封裝在金屬或塑料外殼中；分立式是在印制板上安裝電感線圈、電容器等，構成EMI濾波器。設計的分立式EMI濾波器測試結果如圖3所示。

結語

EMI濾波器的設計，主要依據電磁干擾特性和系統電磁兼容性的要求，在了解電磁干擾的頻率范圍，估計干擾的大致量級的基礎上進行。首先要了解濾波器的使用環境，重點考慮其安全性能參數。根據接入電路的要求，以產生最大阻抗不匹配的原則來設計濾波器的網絡結構和參數，使濾波器對EMI噪聲產生最佳的抑制效果，從而實現EMC設計。

參考文獻：

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