應用濾波器改善電磁兼容性

王宇虹

摘 要：文章著重介紹了使用濾波器改善電子設備電磁兼容性的方法。對設備分類，早期規劃，分區安裝是成本最低的工程方法，完全可以避免后期昂貴的整改成本。簡單描述了各類干擾的傳導和耦合路徑，電纜長度及其承載電信號頻率對耦合的影響，使用濾波器抑制和阻斷耦合的方法。濾波器的選用和安裝注意事項等工程實際問題。是屏蔽之外改善電磁兼容性的方法，是屏蔽不可或缺的補充手段。

關鍵詞：電磁兼容；濾波器；屏蔽；電磁耦合；電噪聲

中圖分類號：TN713 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0163-02

Abstract： This paper mainly introduces the method of using filter to improve the electromagnetic compatibility of electronic equipment. For equipment classification， early planning， partition installation is the lowest cost of engineering methods， which can completely avoid the late expensive cost of rectification. The transmission and coupling path of various kinds of interference， the influence of cable length and the frequency of carrying electric signal on coupling are briefly described. The method of suppressing and blocking coupling by filter is used. The selection and installation of filters and other practical engineering problems. It is a method to improve electromagnetic compatibility outside shielding and is an indispensable supplementary means of shielding.

Keywords： electromagnetic compatibility （EMC）； filter； shielding； electromagnetic coupling； electrical noise

1 提高電子設備抗電磁干擾能力的兩種常用方法

濾波和屏蔽是提高電子設備抗干擾能力的兩種常見方法，或者用于減少進入某一區域的電磁干擾；或者用于抑制從某區域向外部發射電磁干擾。電磁干擾泛指一切來源于電力線路的電噪聲（因電力線路上的交流電源波動造成的低頻干擾）和來源于一切通信設備的高頻噪聲。上面提到的“區域”總是一個三維立體的空間。這個區域可大可小，可以僅有一臺電子設備，也可以是一個安裝了很多敏感電子設備的房間。諸如安裝在房間里的儀器儀表，電子計算機，通信設備等敏感電子設備會受到外部電磁環境的干擾，對房間采用濾波和屏蔽會大大提高這些設備的可靠性。在此，僅就采用濾波器提高電子設備抗電磁干擾能力進行討論。

2 設備分區安裝的重要性

為盡可能減少設備之間的潛在電磁干擾，不同類型的設備分區隔離，包括它們的電源電纜和信號電纜是必不可少的。不做分區安裝的設備抗外來干擾能力和抑制其對外部發射干擾都是難以實現的。在一個區域內部的電氣和電子線路之間的電磁耦合和區域外部環境與區域內部電氣和電子線路之間的電磁耦合，可以通過區域邊界的濾波器和屏蔽來抑制。電磁耦合的所有路徑都應當考慮找到抑制方法，在此，僅討論濾波的方法。

3 電磁耦合路徑和類型

在一個電子設備安裝區域，有5種類型的耦合干擾是我們需要控制的：

公共阻抗傳導耦合；公共阻抗耦合之外的其他傳導耦合；容性輻射耦合；感性輻射耦合；電磁場輻射耦合。

3.1 公共阻抗傳導耦合

公共阻抗由公共電氣線路產生。通常是地線或公用的交流市電，或者共用直流電源。這里的地線通常是公共接地搭接網（CBN）。甚至在公共阻抗耦合沒有產生任何問題的正常情況下，合閘浪涌，相-地故障，閃電等暫態事件也會在相線和公共接地搭接網感應出電流，產生公共阻抗耦合電壓。抑制公共阻抗耦合干擾通常采用按設備分類使用不同的變壓器的方法來隔離，這需要在工程的早期進行規劃。

3.2 其他傳導耦合

其他傳導耦合常由信號互聯引起。噪聲從一個設備接口通過電纜傳導到另一個設備接口。該噪聲可能和信號本身一樣是個差模噪聲，也可能是共模噪聲，也可能是兩者混合?；ヂ撾娎|可以從其環境中“感應”生成共模噪聲，俗稱“拾取”，當一臺設備連接到一臺受共模電壓作用的設備，會拾取共模噪聲。

3.3 輻射耦合-容性，感性，電磁波

導線之間的寄生電容和電感會產生容性和感性耦合，俗稱“串音”。加大導線間距，與保護地線并列走線，可減少此類耦合。當一根電纜的長度與傳輸的信號或噪聲的波長具有可比性時，這根電纜就像發射天線，發射電磁波到空中，然后被其他導線拾取。使用對絞線和屏蔽電纜可以減少此類干擾。當電纜長度接近或超過十分之一波長時，會變成發射和接收天線。在10kHz時，電纜長度達到3公里才有天線效應。而在10MHz時，電纜長度只要3米就夠了。頻率越高，越易產生干擾。

4 濾波器應用于系統工程

4.1 使用濾波器的目的——抑制金屬導體帶來的噪聲

使用濾波器可以抑制從金屬導體帶進和帶出一個區域的噪聲。在減弱傳導噪聲的同時，也有助于抑制電纜發射和接收噪聲。

4.2 共模和差模噪聲的衰減

濾波器應設計成以期待的帶寬和幅度衰減共模和差模噪聲。低通濾波器常用于剝離不需要的高頻成分和噪聲。共模濾波器常用在電子設備內部保護來自互聯電纜的共模噪聲，或者保護電纜免受共模噪聲侵擾和轉變成差模噪聲。

4.3 源阻抗和負載阻抗的效應

實際上，濾波器的輸入/輸出面對的并非標準的50Ω/50Ω阻抗，但廉價濾波器的性能依賴其接入的終端阻抗。對于電源濾波器，其源阻抗（交流市電）隨地點和用電時間從2Ω到2000Ω之間變化（更為典型的值是5Ω到300Ω）。在其負載側變化也是很大（例如AC-DC電源的阻抗在整流器連通時很低，而在其他時間則非常高）。多數情況下濾波器的衰減值與濾波器制造商聲稱的50Ω/50Ω典型情況不符。

4.4 濾波器的頻率響應

某些濾波器的規格書只說明傳導發射測試范圍（150kHz～30MHz）內的衰減值。我們在選用時，要注意其在需要防護的頻率范圍內的衰減值。

4.5 濾波器的安裝位置

濾波器應當安裝在靠近區域邊界的地方。輸入電纜短到不至于將噪聲耦合到區域內部的程度。頻率越高，從濾波器輸入側耦合到輸出側的干擾越大，濾波器的作用越弱。當一個區域邊界是被電纜穿透的金屬面時，濾波器應裝在電纜入口處。某些類型的連接器內部含有濾波器。

4.6 濾波器的接地

濾波器外殼到接地導體之間的電感會損害濾波器性能，所以濾波器外殼到接地導體之間不可用導線連接。導線越長，電感越大。把濾波器外殼和接地導體直接搭接是比較好的。

4.7 濾波器的連接

濾波器的輸入側和輸出側的電纜必須嚴格地隔離。不可把輸入側和輸出側的電纜絞在一起。理想狀態是，區域邊界是一個屏蔽機箱或房間，濾波器安裝在屏蔽金屬面上，輸入和輸出電纜彼此屏蔽。當沒有金屬屏蔽面時，濾波器的輸入和輸出電纜盡量遠離。濾波器性能的改善可以通過在其一端或兩端采用屏蔽電纜來實現。在濾波器需要安裝在電纜線槽時，所有非屏蔽的電纜應在同一地點濾波。否則，未濾波電纜和已濾波電纜之間耦合將削弱濾波器的效果。如果并行的是屏蔽電纜，在濾波器安裝位置其屏蔽層應搭接在金屬線槽上。

4.8 濾波器的額定電流

電源濾波器的額定電流主要由其電感器決定。過載電流能引發如下三種效應：過熱，引發可靠性和安全性上的更多后果。扼流圈飽和，引起衰減效果的降低。輸出端電壓降低。由于某些電子設備（節能照明燈具，馬達驅動逆變器等）具有遠高于額定均方根值的非正弦波形的峰值電流（有時達到5～10倍的額定電流），所以正確選擇電源濾波器還真不是一件簡單的事情。如果峰值電流超過濾波器的額定瞬間電流，請咨詢生產商。電源濾波器生產商可能提供與過熱相關的額定電流降額曲線。電感飽和曲線也可能提供，這個曲線顯示電感損失與電流的關系，用于檢查電感是否損失過大。當把濾波器應用于直流電源，電感飽和很容易發生。查閱生產商提供的電感飽和損失與直流電流的相關曲線是必須的。

4.9 濾波器的額定電壓

濾波器的額定電壓應當包括正常工作電壓，加上安全系數，再加上可能損壞濾波器的瞬間過載電壓裕量。選擇濾波器應評估其所處環境的瞬態電壓，選擇可靠性高并能應付預期過載電壓的產品。根據一個極少出現的瞬態過載電壓選擇濾波器是非常不經濟的。但為保障安全和可靠性，將濾波器連同設備一起與良好接地公共接地搭接網連接是必須的。

4.10 簡單有效的軟磁體濾波器

帶有塑料夾的開口軟磁體是特別實用的一類濾波器。非常容易使用，當發現沒什么效果時，又可以很容易撤回。形狀和大小多樣，包括可以適用扁平電纜和帶裝電纜的類型。軟磁體濾波器等同于在電纜上串聯了電感器，對高頻成分有較大阻抗，這有助于避免諧振產生。當夾在往復電纜回路上時，其抑制共模噪聲，當夾在單一導線上時，其抑制差模噪聲。請注意其飽和效應，尤其是應用在抑制差模噪聲時。軟磁體有較高的介電常數，因此給電纜夾上軟磁體濾波器并放置于接近接地導體的地方，等同于在電纜中串聯了電感阻抗和接地導體之間并聯了電容。對抑制高頻成分非常有利。但一般只能實現3～12dB的衰減。

5 結束語

由于各類電磁耦合和傳導耦合的存在，共用市電或在空間相鄰的電子設備之間發生各種電磁干擾是難以避免的現象。屏蔽和濾波是抑制這類干擾的兩大手段。本文重點介紹了使用濾波器抑制干擾的方法，同屏蔽手段聯合使用，改善電子設備電磁兼容性是不難解決的。

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