用于直流电源的模块化EMI交流线路滤波器

对于交流电源供电的设备，通常的做法是使用模块化 交流线路滤波器，该滤波器集成到连接器中或作为机箱安装部件安装，尤其是在工业、医疗保健和 ITE 等专业环境中。该设备通常包括嵌入式 AC-DC 转换器或电源，也可能安装在机箱上，有时也可能安装在机架或 PCB 上。在每种情况下，电源作为独立部件都将始终满足发射的法定要求，通常针对传导和辐射干扰符合 EN55011/EN55032。但额外的过滤可能仍然是必要的。

经验丰富的设备设计人员早就知道，简单地使用合规组件并不能保证最终产品的 EMC 合规性“通过”。原因是多种多样的。例如，设备 AC-DC 转换器的一致性测试是在非常特定的条件下进行的，即假定的交流线路阻抗、输出负载、电缆长度和布线以及部件相对于地面的位置。当使用这种内部安装的 AC-DC 转换器测试最终产品时，所有这些条件都会发生变化，从而导致不同且通常更差的传导 EMI 特征。来自其他组件的辐射 EMI 也可以在电源线上拾取，从而增加传导水平。

模块化滤波器可以实现系统 EMI 合规性

外部模块化过滤器可能是解决方案，但有数百种可供选择，哪个是最佳的？让我们先看看典型商用滤波器的内部电路，并考虑每个组件的作用（图 1）。

 

图 1： 这种典型的模块化 EMI 滤波器使用 CX 电容器来衰减差模噪声，并使用电感器-电容器组合来降低共模噪声。

电容器 CX 衰减差模噪声、信号和由转换器内电流快速变化产生的从线路到零线的尖峰。电容器将被评为 X1、X2 或 X3，因为它们能够承受交流线路上的电压瞬变。电感器 L 是一个共模或电流补偿扼流圈，具有如图所示的两个相位的绕组。共模噪声由转换器内的电压快速变化产生，从线路和中性线到地，将扼流圈视为高阻抗，每个 CY 电容器将噪声电流转移到地。通过扼流圈上两个绕组的正常运行电流会导致磁芯中的磁场抵消，因此可以使用高电感值而无需担心磁饱和。经常，

虽然 CX 可以是实际限制内的任何电容值，但两个 CY 值受接地泄漏电流要求的限制。它们有 Y1、Y2、Y3 和 Y4 类型，具有降低的额定工作电压和瞬态电压。通过 Y 电容器的漏电流是一个潜在问题，因为它们桥接了安全屏障 - 线和中性线到地。如果与设备金属制品的保护性接地连接失败，外壳会通过 Y 电容器“浮动”至线路电压，并可能导致电击。因此，这些 Y 电容器值被限制为允许不超过规定的电流流过外壳，该值由用于特定应用环境的标准设定。限值可以从工业系统中的数十毫安到心脏浮动医疗保健应用中的小于 10µA。

电阻器 R1 是一个高阻值电阻器，通常为 1M 欧姆，如果交流电源突然断开并且不能依靠负载来排出电荷，则用于使 CX 放电，从而在交流连接器引脚上留下潜在的危险电压。IEC 62368-1 等针对 ITE 和媒体设备安全的标准规定，当 CX > 300nF（纳法拉）时，R1 应在两秒后将电容器放电至低于 60V，而当 CX < 300nF 时允许使用更高的电压。同样，对于只有经过培训的人员才能使用的设备，允许的电压限制更高。

但其他标准不同。例如，医疗设备的 IEC 60601-1 要求一秒后放电至低于 60V，但如果 CX 低于 100nF，则没有要求。IEC 62368-1 等标准也对电阻器提出要求，如果电阻器安装在保险丝之前，则电阻器必须能够承受瞬态电压，电阻偏差不超过 10%。因此，电阻器 R1 将是高规格部件。在某些应用中，R1 在正常条件下消耗的功率可能会限制其符合美国能源部 (DoE) 和欧洲 ErP 指令等机构规定的待机或空载损耗限制的机会。

图 1 中所示的保险丝可以包含在模块化滤波器中，特别是面板安装类型，例如流行的 IEC320-C14 类型。

在商业应用中，线路中的单个保险丝是正常的。如果熔断器元件符合标准，则可以简化下游组件（如前面提到的 R1）的规格。某些应用，例如医疗设备和 II 类 IT，需要将线路和中性线都熔断，以防止意外连接反转的可能性。在单个熔断器的情况下，连接反向会使火线未熔断，并在从火线到保护地短路时依赖上游熔断器或电源断开中的断路器。但是这些上游设备的额定电流值可能很高，以保护多个负载的接线，并且不能保证在设备故障时快速断开，从而可能导致火灾危险。双熔断确实有缺点，但是，

选择过滤器

过滤器的机械格式是选择过程的自然起点。根据应用要求，机械变体可用作 IEC 入口，采用螺钉或卡扣式安装，可选择开关和无熔断器、一个或两个熔断器。IEC 入口类型的 C14 额定值为 10A，C20 额定值为 16A，底盘安装部件的额定电流为 20A 或更高。机箱安装滤波器通常具有 6 面屏蔽并直接固定到导电接地金属制品，可提供非常有效的 EMI 衰减。

对于所有类型，医疗版本都可用，它省略了 Y 电容器以将泄漏电流降低到通常最大 5 µA。这种省略必然意味着共模衰减减少，可能需要在其他地方进行补偿，例如通过级联滤波器。

在给定最低输入电压和负载功率因数的情况下，可以根据负载功率要求轻松计算滤波器的额定电流需求。例如，在 90 VAC 下，功率因数为 0.9 的滤波器上的负载为 200 W，将消耗 200 W/ (0.9 x 90 VAC) = 2.47A 的电流。在这种情况下，可以选择 3A 级滤波器。

选择滤波器所需的衰减最好通过在未安装滤波器的情况下测量系统性能来完成，然后计算需要从外部滤波器中获得多少才能满足规格要求。滤波器数据表中的衰减曲线将给出滤波器性能的指示，但请记住，数据表性能是在指定的测试条件下，通常为 50 欧姆源和负载阻抗。尽管可以使用线路阻抗稳定器网络 (LISN) 对交流电源进行标准化，但应用负载可能与数据表的测试条件有很大不同。

与 AC-DC 电源中的内部滤波器级联的滤波器模块也会导致意想不到的结果，发生潜在的共振甚至会导致临界频率处的 EMI 放大。例如，EMI 图取自 XP Power 的典型 AC-DC 转换器，部件 PBR500PS12B，在 230 VAC 和 180 W 下运行，如图 3所示。该图显示了对准峰值检测的 EN 55032 曲线 B 排放限制线的良好符合性。然后将滤波器插入交流线路 XP Power FCSS06SFR，产生的衰减特性如图4所示。虚线为差模，实线为共模衰减。总的组合结果在图 5 中给出。

图 3： 此带有内部滤波器的 AC-DC 电源的 EMI 曲线显示很好地符合辐射限制。

图 4： XP FCSS06SFR 型模块化滤波器的 EMI 图显示了差模和共模衰减。

图 5：添加了图 4 的外部滤波器的图 3 的 AC-DC 电源在 10 MHz 以上的总衰减比预期的要小，这表明需要进行确认测量。

可以看出，直到 1 MHz 左右，滤波器衰减降低了预期的发射量，但在 10 MHz 及以上，改进不符合预期，这表明模块化滤波器没有“看到”50 欧姆在这些频率处终止。它的衰减低于预期。这一结果证实了进行实际测量以确认合规性的必要性。

咨询专家

在最早阶段获得正确的 EMC 合规性对于避免在最终产品测试中出现代价高昂的故障至关重要。然而，解决方案并不是简单地在 AC 入口处使用超大的模块化滤波器，这会增加不必要的成本，甚至会因意外的衰减结果而适得其反。相反，设计人员应该执行测试并进行测量，以确定其应用的实际滤波器需求。XP Power 等电源制造商可以提供帮助，提供一系列带有模块化滤波器的 AC-DC 电源产品，这些产品具有专为 ITE、工业和低泄漏医疗应用等量身定制的版本。有些甚至为客户提供全面的设计应用支持和免费使用其内部 EMC 预一致性测试设施。

审核编辑：刘清