为AC-DC转换器选择模块化EMI滤波器的方法

ac-dc转换器是指将交流电转换成直流电的一种电源设备，简单说是开关电源，采用PWM原理，MOS管工作产生变化波形后通过变压器变换电压，再整流输出。交流电转换成直流电被称为整流，直流电转换成交流电被称为逆变。EMI滤波器，又名“电磁干扰滤波器”是一种用于抑制电磁干扰，特别是电源线路或控制信号线路中噪音的电子线路设备。模块化电磁兼容滤波器通常添加在交流入口到终端设备。电流和衰减额定值有很多种，包括有或没有保险丝和开关的版本。低泄漏零件也可用于医疗应用。本文介绍了滤波器的功能以及如何将其与预期的应用匹配以获得最佳效果。

对于交流电源供电的设备，通常使用模块化AC线路滤波器，安装在连接器上或作为机板安装部件，特别适用于在工业、医疗和通讯等专业环境中。该设备通常包括嵌入式AC-DC转换器或电源，也可以是机板安装式，有时是机架安装式或板上PCB安装式。在每种情况下，电源将始终满足作为独立部件的排放的法定要求，通常为传导和辐射干扰的EN55011/EN55032标准。

一有人可能会问，为什么可能需要额外的过滤模块，但经验丰富的设备设计师早就知道，仅仅使用兼容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，对设备AC-DC转换器的符合性测试是在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等非常特殊的条件下进行的。当最终产品在内部安装的AC-DC转换器上进行测试时，所有这些条件都会发生变化，从而导致不同且通常更糟糕的传导EMI信号。来自其他组件的辐射EMI也可以通过电力电缆接收，从而增加传导水平。在滤波电路中，有许多特殊的滤波元件（如铁氧体磁环）。它们可以提高电路的滤波特性，而正确地设计和使用滤波器是抗干扰技术的重要组成部分。

一、模块化滤波器可使系统符合电磁干扰

一个外部模块化滤波器可以是解决方案，但是，有数百个可供选择，哪一个是最佳的？让我们首先看一个典型的商业滤波器的内部电路，并考虑每个组件是如何贡献的（图1）。

图1：典型的模块化EMI滤波器示意图

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到中性点出现的尖峰，其额定值为X1、X2或X3，以承受交流线上的电压瞬变。L是共模或电流补偿扼流圈，有两个相位绕组，如图所示。共模噪声，由转换器内部电压的快速变化产生，从线路和中性点到接地，将扼流圈视为高阻抗，每个CY电容器将噪声电流转移到接地。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。通常，L绕在绕组之间的耦合不够完美，因此会产生一些漏感，表现为一个单独的串联电感，这会增加差模衰减。

虽然CX可以是实际限制范围内的任何电容值，但这两个CY值受接地漏电电流要求的限制，并且有Y1、Y2、Y3和Y4类型，额定工作电压和瞬态电压降低。通过Y电容器的漏电流是一个潜在的问题，因为它们跨越了一个安全屏障-线路和中性点接地。如果与设备金属件的保护接地连接出现故障，则外壳通过Y电容器“浮动”至线路电压，并可能导致电击。因此，根据应用环境所用的标准，Y电容器的值被限制为允许不超过规定的电流流动。限制范围从工业领域的几十毫安到心脏漂浮医疗应用领域的小于10微安不等。

R1是一个高值电阻，如果突然断开交流电源，并且不能依靠负载来耗尽电荷，则通常为1兆欧以放电CX，从而在交流连接器引脚上留下潜在的危险电压。IEC62368-1等标准规定，对于CX》300nF，R1应在2秒后将电容器放电至60V以下，对于CX《300nF，允许更高的电压。对于只有经过培训的人员才能接触到的设备，允许的电压限值也更高。其他标准则有所不同，例如，医疗设备的IEC60601-1要求在1秒后放电小于60V，但如果CX小于100nF则没有要求。IEC62368-1等标准也对电阻器提出了要求，如果电阻器安装在保险丝之前，则电阻偏差不超过10%的情况下，电阻器能够承受瞬态电压。因此，R1将是高规格零件。在某些应用中，R1在正常条件下的功耗是符合美国能源部（DoE）和欧洲ErP指令等机构规定的待机或空载损耗限制的限制。

在商业应用中，线路中的单个保险丝是正常的。如果熔丝元件符合标准，则简化所述下游组件（如R1）的规格。一些应用，如医疗设备和ClassII通讯类，要求线路和中性点都要熔断，以覆盖连接意外反转的可能性，在单一熔断器情况下，这将使带电线路未熔断，并依赖于电源开口中的上游熔断器或断路器，从带电到保护接地短路。这些上游设备的额定电流值可能很高，以保护多个负载的布线，并且不能保证在设备故障时快速打开，从而可能导致火灾。双熔断确实有缺点，但是，线对中性点的过电流可能只会打开中性点熔断器，使设备表面上死掉，但内部仍然有带电连接。

二、选择滤波器

滤波器的机构图是一个自然的起点；根据应用要求，可采用带螺钉或卡入式安装的IEC输入插座，带有开关选项和无保险丝、一个或两个保险丝。对于C14，IEC入口类型的额定值为10A，对于C20，额定值为16A，机板安装部件的额定值为20A及更高。机板安装式滤波器，通常具有6面屏蔽，以及直接固定到导电接地金属制品，提供非常有效的EMI衰减。

对于所有类型产品而言，医疗版本都可以省略Y电容器，以将漏电流降低到最大5μA。这必然意味着共模衰减减小，并且可能需要在其他地方进行补偿，例如通过级联滤波器。额定电流可以很容易地从给定的最低输入电压和负载功率因数的负载功率要求计算出来。例如，在90VAC下，滤波器上的负载为200W，功率因数为0.9，将产生200W/（0.9x90VAC）=2.47A的电流，在这种情况下，可选择3A额定滤波器。

从滤波器中选择所需的衰减最好是在不安装滤波器的情况下测量性能，然后计算从外部滤波器中需要的额外值。滤波器数据表中的衰减曲线给出了性能指示，但要记住，数据表的性能是在规定的测试条件下，通常是50欧姆源和负载阻抗。尽管AC-DC电源可以通过使用线路阻抗稳定器网络（LISN）实现标准化，但应用负载可能会有很大的不同。在交直流电源中，与内部滤波器级联的滤波器模块也可能导致意外的结果，产生潜在的共振，甚至可能导致在临界频率下的电磁干扰放大。例如，EMI图取自XPPower的典型AC-DC转换器，部件PBR500PS12B在230VAC和180W下运行，如图3所示。该图显示符合EN55032曲线B准峰值检测排放限值线。然后将滤波器插入XPPowerFCSS06SFR型交流线路，其衰减特性如图4所示。虚线为差模和实线共模衰减。结果的总体结果如图5所示。

图3:AC-DC电源，仅限内部滤波器

图4:XPFCSS06SFR型模块化滤波器

图5：添加外部滤波器的AC-DC电源

可以看出，高达约1MHz时，滤波器衰减使发射降低了预期量，但在10MHz及以上时，改善并不一致，这意味着模块化滤波器在这些频率下没有“看到”50欧姆作为终端，并且给出的衰减比预期的要低。这证实了进行实际测量以确认合规性的必要性。