應(yīng)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(shè)備電磁兼容性的方法。對(duì)設(shè)備分類(lèi)，早期規(guī)劃，分區(qū)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(jiǎn)單描述了各類(lèi)干擾的傳導(dǎo)和耦合路徑，電纜長(zhǎng)度及其承載電信號(hào)頻率對(duì)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(xiàng)等工程實(shí)際問(wèn)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(bǔ)充手段。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；濾波器；屏蔽；電磁耦合；電噪聲

中圖分類(lèi)號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shè)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(shè)備抗干擾能力的兩種常見(jiàn)方法，或者用于減少進(jìn)入某一區(qū)域的電磁干擾；或者用于抑制從某區(qū)域向外部發(fā)射電磁干擾。電磁干擾泛指一切來(lái)源于電力線(xiàn)路的電噪聲（因電力線(xiàn)路上的交流電源波動(dòng)造成的低頻干擾）和來(lái)源于一切通信設(shè)備的高頻噪聲。上面提到的“區(qū)域”總是一個(gè)三維立體的空間。這個(gè)區(qū)域可大可小，可以?xún)H有一臺(tái)電子設(shè)備，也可以是一個(gè)安裝了很多敏感電子設(shè)備的房間。諸如安裝在房間里的儀器儀表，電子計(jì)算機(jī)，通信設(shè)備等敏感電子設(shè)備會(huì)受到外部電磁環(huán)境的干擾，對(duì)房間采用濾波和屏蔽會(huì)大大提高這些設(shè)備的可靠性。在此，僅就采用濾波器提高電子設(shè)備抗電磁干擾能力進(jìn)行討論。

2 設(shè)備分區(qū)安裝的重要性

為盡可能減少設(shè)備之間的潛在電磁干擾，不同類(lèi)型的設(shè)備分區(qū)隔離，包括它們的電源電纜和信號(hào)電纜是必不可少的。不做分區(qū)安裝的設(shè)備抗外來(lái)干擾能力和抑制其對(duì)外部發(fā)射干擾都是難以實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)部的電氣和電子線(xiàn)路之間的電磁耦合和區(qū)域外部環(huán)境與區(qū)域內(nèi)部電氣和電子線(xiàn)路之間的電磁耦合，可以通過(guò)區(qū)域邊界的濾波器和屏蔽來(lái)抑制。電磁耦合的所有路徑都應(yīng)當(dāng)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(lèi)型

在一個(gè)電子設(shè)備安裝區(qū)域，有5種類(lèi)型的耦合干擾是我們需要控制的：

公共阻抗傳導(dǎo)耦合；公共阻抗耦合之外的其他傳導(dǎo)耦合；容性輻射耦合；感性輻射耦合；電磁場(chǎng)輻射耦合。

3.1 公共阻抗傳導(dǎo)耦合

公共阻抗由公共電氣線(xiàn)路產(chǎn)生。通常是地線(xiàn)或公用的交流市電，或者共用直流電源。這里的地線(xiàn)通常是公共接地搭接網(wǎng)（CBN）。甚至在公共阻抗耦合沒(méi)有產(chǎn)生任何問(wèn)題的正常情況下，合閘浪涌，相-地故障，閃電等暫態(tài)事件也會(huì)在相線(xiàn)和公共接地搭接網(wǎng)感應(yīng)出電流，產(chǎn)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(shè)備分類(lèi)使用不同的變壓器的方法來(lái)隔離，這需要在工程的早期進(jìn)行規(guī)劃。

3.2 其他傳導(dǎo)耦合

其他傳導(dǎo)耦合常由信號(hào)互聯(lián)引起。噪聲從一個(gè)設(shè)備接口通過(guò)電纜傳導(dǎo)到另一個(gè)設(shè)備接口。該噪聲可能和信號(hào)本身一樣是個(gè)差模噪聲，也可能是共模噪聲，也可能是兩者混合。互聯(lián)電纜可以從其環(huán)境中“感應(yīng)”生成共模噪聲，俗稱(chēng)“拾取”，當(dāng)一臺(tái)設(shè)備連接到一臺(tái)受共模電壓作用的設(shè)備，會(huì)拾取共模噪聲。

3.3 輻射耦合-容性，感性，電磁波

導(dǎo)線(xiàn)之間的寄生電容和電感會(huì)產(chǎn)生容性和感性耦合，俗稱(chēng)“串音”。加大導(dǎo)線(xiàn)間距，與保護(hù)地線(xiàn)并列走線(xiàn)，可減少此類(lèi)耦合。當(dāng)一根電纜的長(zhǎng)度與傳輸?shù)男盘?hào)或噪聲的波長(zhǎng)具有可比性時(shí)，這根電纜就像發(fā)射天線(xiàn)，發(fā)射電磁波到空中，然后被其他導(dǎo)線(xiàn)拾取。使用對(duì)絞線(xiàn)和屏蔽電纜可以減少此類(lèi)干擾。當(dāng)電纜長(zhǎng)度接近或超過(guò)十分之一波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)變成發(fā)射和接收天線(xiàn)。在10kHz時(shí)，電纜長(zhǎng)度達(dá)到3公里才有天線(xiàn)效應(yīng)。而在10MHz時(shí)，電纜長(zhǎng)度只要3米就夠了。頻率越高，越易產(chǎn)生干擾。

4 濾波器應(yīng)用于系統(tǒng)工程

4.1 使用濾波器的目的——抑制金屬導(dǎo)體帶來(lái)的噪聲

使用濾波器可以抑制從金屬導(dǎo)體帶進(jìn)和帶出一個(gè)區(qū)域的噪聲。在減弱傳導(dǎo)噪聲的同時(shí)，也有助于抑制電纜發(fā)射和接收噪聲。

4.2 共模和差模噪聲的衰減

濾波器應(yīng)設(shè)計(jì)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(shè)備內(nèi)部保護(hù)來(lái)自互聯(lián)電纜的共模噪聲，或者保護(hù)電纜免受共模噪聲侵?jǐn)_和轉(zhuǎn)變成差模噪聲。

4.3 源阻抗和負(fù)載阻抗的效應(yīng)

實(shí)際上，濾波器的輸入/輸出面對(duì)的并非標(biāo)準(zhǔn)的50Ω/50Ω阻抗，但廉價(jià)濾波器的性能依賴(lài)其接入的終端阻抗。對(duì)于電源濾波器，其源阻抗（交流市電）隨地點(diǎn)和用電時(shí)間從2Ω到2000Ω之間變化（更為典型的值是5Ω到300Ω）。在其負(fù)載側(cè)變化也是很大（例如AC-DC電源的阻抗在整流器連通時(shí)很低，而在其他時(shí)間則非常高）。多數(shù)情況下濾波器的衰減值與濾波器制造商聲稱(chēng)的50Ω/50Ω典型情況不符。

4.4 濾波器的頻率響應(yīng)

某些濾波器的規(guī)格書(shū)只說(shuō)明傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試范圍（150kHz～30MHz）內(nèi)的衰減值。我們?cè)谶x用時(shí)，要注意其在需要防護(hù)的頻率范圍內(nèi)的衰減值。

4.5 濾波器的安裝位置

濾波器應(yīng)當(dāng)安裝在靠近區(qū)域邊界的地方。輸入電纜短到不至于將噪聲耦合到區(qū)域內(nèi)部的程度。頻率越高，從濾波器輸入側(cè)耦合到輸出側(cè)的干擾越大，濾波器的作用越弱。當(dāng)一個(gè)區(qū)域邊界是被電纜穿透的金屬面時(shí)，濾波器應(yīng)裝在電纜入口處。某些類(lèi)型的連接器內(nèi)部含有濾波器。

4.6 濾波器的接地

濾波器外殼到接地導(dǎo)體之間的電感會(huì)損害濾波器性能，所以濾波器外殼到接地導(dǎo)體之間不可用導(dǎo)線(xiàn)連接。導(dǎo)線(xiàn)越長(zhǎng)，電感越大。把濾波器外殼和接地導(dǎo)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(cè)和輸出側(cè)的電纜必須嚴(yán)格地隔離。不可把輸入側(cè)和輸出側(cè)的電纜絞在一起。理想狀態(tài)是，區(qū)域邊界是一個(gè)屏蔽機(jī)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(dāng)沒(méi)有金屬屏蔽面時(shí)，濾波器的輸入和輸出電纜盡量遠(yuǎn)離。濾波器性能的改善可以通過(guò)在其一端或兩端采用屏蔽電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。在濾波器需要安裝在電纜線(xiàn)槽時(shí)，所有非屏蔽的電纜應(yīng)在同一地點(diǎn)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(yīng)搭接在金屬線(xiàn)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(guò)載電流能引發(fā)如下三種效應(yīng)：過(guò)熱，引發(fā)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(shè)備（節(jié)能照明燈具，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)逆變器等）具有遠(yuǎn)高于額定均方根值的非正弦波形的峰值電流（有時(shí)達(dá)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(jiǎn)單的事情。如果峰值電流超過(guò)濾波器的額定瞬間電流，請(qǐng)咨詢(xún)生產(chǎn)商。電源濾波器生產(chǎn)商可能提供與過(guò)熱相關(guān)的額定電流降額曲線(xiàn)。電感飽和曲線(xiàn)也可能提供，這個(gè)曲線(xiàn)顯示電感損失與電流的關(guān)系，用于檢查電感是否損失過(guò)大。當(dāng)把濾波器應(yīng)用于直流電源，電感飽和很容易發(fā)生。查閱生產(chǎn)商提供的電感飽和損失與直流電流的相關(guān)曲線(xiàn)是必須的。

4.9 濾波器的額定電壓

濾波器的額定電壓應(yīng)當(dāng)包括正常工作電壓，加上安全系數(shù)，再加上可能損壞濾波器的瞬間過(guò)載電壓裕量。選擇濾波器應(yīng)評(píng)估其所處環(huán)境的瞬態(tài)電壓，選擇可靠性高并能應(yīng)付預(yù)期過(guò)載電壓的產(chǎn)品。根據(jù)一個(gè)極少出現(xiàn)的瞬態(tài)過(guò)載電壓選擇濾波器是非常不經(jīng)濟(jì)的。但為保障安全和可靠性，將濾波器連同設(shè)備一起與良好接地公共接地搭接網(wǎng)連接是必須的。

4.10 簡(jiǎn)單有效的軟磁體濾波器

帶有塑料夾的開(kāi)口軟磁體是特別實(shí)用的一類(lèi)濾波器。非常容易使用，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沒(méi)什么效果時(shí)，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(lèi)型。軟磁體濾波器等同于在電纜上串聯(lián)了電感器，對(duì)高頻成分有較大阻抗，這有助于避免諧振產(chǎn)生。當(dāng)夾在往復(fù)電纜回路上時(shí)，其抑制共模噪聲，當(dāng)夾在單一導(dǎo)線(xiàn)上時(shí)，其抑制差模噪聲。請(qǐng)注意其飽和效應(yīng)，尤其是應(yīng)用在抑制差模噪聲時(shí)。軟磁體有較高的介電常數(shù)，因此給電纜夾上軟磁體濾波器并放置于接近接地導(dǎo)體的地方，等同于在電纜中串聯(lián)了電感阻抗和接地導(dǎo)體之間并聯(lián)了電容。對(duì)抑制高頻成分非常有利。但一般只能實(shí)現(xiàn)3～12dB的衰減。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

[1]GJB/Z25-91.電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南[S].

[2]Keith Armstrong.Design Techniques for EMC[J/OL].UK EMC Journal Jan-Dec 1999.www.emc-journal.co.uk.

[3]Keith Armstrong.EMC for System and Installations[J/OL].UK EMC Journal. Jan-Dec 2000.www.emc-journal.co.uk.

[4]Tim Williams.Choosing and Installing Mains Filters[EB/OL].Compliance Engineering，2000.

[5]Keith Armstrong.Choosing and Using Filters[J/OL].UK EMC Joural，1998.