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电源线滤波器安装的重要性

选择好了合适的滤波器,如果安装不当,仍然会破坏滤波器的衰减特性。只有恰当地安装了滤波器才能获得良好的效果。

1)滤波器最好安装在干扰源出入口处,滤波器的壳体与干扰源壳体应进行

良好的搭接。

2)滤波器的输入和输出线必须分开,防止出现输入端与输出端线路耦合现象而降低滤波器的衰减特性。产品中通常利用隔板或底盘来固定滤波器。若不能实施隔离的方法,则采用屏蔽的引线必须可靠。

3)滤波器中电容器导线应尽可能短,防止感抗与容抗在某个频率上形成谐振,电容器相对于其它电容器和元件成直角安装,避免相互产生影响(近场效应)。

4)滤波器接地线上有很大的短路电流,能辐射很强的电磁干扰,因此对滤波器的抑制元器件要进行良好的屏蔽。

5)焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波,否则会使滤波器的衰减特性完全失去。

以下来分析滤波器安装的重要性:

滤波器的安装如下图1、图2、图3所示的方法是有问题的。问题的本质在于,滤波器的输入端电缆和它的输出端及内部的PCB电路之间存在有明显的电磁耦合路径串扰。这样一来存在于滤波器某一端的EMI信号会逃脱滤波器对它的限制,不经过滤波器的衰减而直接耦合到滤波器的另一端去。

另外,图中的滤波器都是安装在设备屏蔽的内部,设备内部电路及元件上的EMI信号会因电磁耦合比如串扰在滤波器的电源端连接线上产生EMI信号而直接耦合到设备外部去,使设备的屏蔽丧失对内部元件和电路产生的EMI辐射的抑制。同时,如果滤波器输入电缆上存在共模干扰信号,也会跨过滤波器的耦合到设备内部的元件和电路上,从而破坏滤波器和屏蔽的作用。

在电子设备或系统内安装滤波器或放置滤波电路时要注意的是,在捆扎设备电缆时,不能把滤波器输入端的电缆和滤波器输出端的电缆捆扎在一起。PCB布线时,不能把滤波器输入端的信号和滤波器输出端的信号布置在一起,如果布置在一起就会加剧了滤波器输入/输出端之间的电磁耦合,形成串扰。就会破坏了滤波器和设备屏蔽对干扰信号的抑制能力。

还有一个重要的地方,要求滤波器的外壳或滤波电路中的共模滤波Y电容与系统/结构地之间有良好的低阻抗电气连接,也就是说,要处理好滤波器的接地。最好不要像图3所示,把滤波器安装在绝缘物体上,要安装在接触良好的金属外壳上,要避免使用较长的接地线。因为过长的接地线意味着大大增加接地电感和电阻,这样会严重破坏滤波器的共模抑制能力。较好的方法是,用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽牢固地固定在设备电源入口处的机壳上。

滤波器的正确安装如图4所示,这个安装方法的特点是借助设备的屏蔽,把电源滤波器的输入端和输出端有效地隔离开来,把滤波器输入端和输出端之间可能存在的电磁耦合即串扰问题,控制在最低的程度。

图1 滤波器输入线问题安装示意图

如图1所示,滤波器与电源端口之间的连接线过长。这是一个常见的错误,之所以说这是个错误,有以下两个原因:

1)对于抗外界干扰的场合:外面沿电源线传进设备的干扰还没有经过滤波,就已经通过空间耦合的方式干扰到线路板了,造成敏感度的问题。

2)对于产品内部干扰发射(包括传导发射和辐射发射)的场合:线路板上产生的干扰可以直接耦合到滤波器的外侧,传导到产品机壳外面,造成超标的电磁发射(包括传导和辐射)。

为何容易发生这个错误,除了设计工程师将滤波器当作一个普通的电路网络来处理以外,还有一个容易产生问题的客观原因是:设备的电源线输入端一般在产品或设备的后面板,而显示灯、开关等在产品及设备的前面板,这样电源线从后面板进入产品或设备后,往往首先连接到前面板的显示灯、开关上,然后再连接到滤波器上。

图2 滤波器输入与输出线问题安装示意图

如图2所示,滤波器的输入与输出线靠得过近。发生这个错误的原因也是忽视了高频电磁干扰的空间耦合。在布置产品及设备内部连接线时,为了美观,将滤波器的输入、输出端扎在一起,结果输入线和输出线之间有较大的分布电容,形成耦合通路,使电磁干扰能量实际将滤波器旁路掉,特别是在高频段,滤波效果变差。

注意:处理电磁兼容问题时,高频电磁干扰是会通过空间传播和耦合的,而且并不一定按照设计好的理想电路模型传播。因此,在设计产品机壳及结构时,同样尽量使电源端口远离信号端口。

图3 滤波器接地问题安装示意图

如图3所示,滤波器通过细导线接地,高频效果就会变差。滤波器的外壳上都有一个接地端子,这无形中在提醒使用者:滤波器需要接地。因此,在实际工程中,都会看到滤波器的接地端子上都连着一根接地线。注意:不正确连接这根导线,对滤波器的性能会带来影响。

1)滤波器的接地端子的连接方式:在电源线滤波器的基本电路中,共模滤波电容一端接在被滤波导线上(L线和N线),另一端接到地上。对于滤波器而言,这个地就是滤波器的外壳,而滤波器上的接地端子也就是滤波器的外壳。从滤波器的原理上,共模滤波电容的接地端要接到屏蔽机壳或一块大金属板上。这个接地端子就是让你将滤波器连接到机箱或大金属板上的。

2)接地端子在实际中的应用问题:在关于Y电容设计中首先要考虑漏电流的问题,在滤波器中,即使很短的引线也会对电容的旁路作用产生极大的影响,因此在设计电磁干扰滤波器时,要想尽一切办法缩短电容引线(甚至使用三端电容或穿心电容)。滤波器通过这个接地端子接地,相当于延长了共模滤波电容的引线长度。

实际情况表明,这些接地线的长度早已大大超过了可以容忍的程度。因此,这些接地端子通常是没有用的(除非用很短、很粗的接地线)。相反,还有不好的作用,错误的做法是通过它用一根长导线接地。

3)正确的接地方式:滤波器的金属外壳一定要大面积地贴在金属机箱的导电表面上。

将滤波器按照图3所示的方法接地(滤波器金属外壳与机箱之间无导电性接触,仅通过一根细导线连接)时,滤波器的共模滤波效果会在某一段频率上特别差,几乎接近没有共模滤波电容时的效果。

图4 滤波器正确安装示意图

滤波器的推荐的安装方式如图4所示,滤滤波器直接接地尽量短,输入、输出线隔离。

波器的输入和输出可分别在机箱金属板的两侧,直接安装在金属板上,使接触阻抗最小,并且利用机箱的金属面板将滤波器的输入端和输出端隔离开,防止高频时的耦合。滤波器与机箱面板之间最好安装电磁密封衬垫(在有些应用中,电磁密封衬垫是必须的,否则接触缝隙会产生泄漏)。使用这种安装方式时,滤波器的滤波效果主要取决于滤波器本身的性能。

图5 滤波器在PCB线路板的示意图

如图5所示,对于通用产品为了降低成本,将滤波器直接安装在线路板上。这种方法从直接成本上是有些好处,但是,实际的费效比并不高。因为高频干扰会直接感应到滤波电路上的任何一个部位,使滤波器失效。因此,这种方式往往仅适合于干扰频率很低的场合。

如果是在PCB上设计滤波电路,并且接地由PCB印制线来实现,那么对于共模滤波电容的接地,即共模滤波电容与金属外壳或产品接地点之间,必须采用具有长宽比小于3的印制线。对于差模滤波电容的接地,即差模滤波电容与接口芯片的工作地引脚之间,也必须采用具有长宽比小于3的印制线。这样才算是EMC意义上的良好接地。

如果使用了PCB线路板上这种滤波方式,即在开关电源上设计了滤波电路,并且仍然有EMC问题时,一种补救措施是:在电源线入口处再设计一只共模滤波器件,这个滤波器件可以仅对共模干扰有抑制作用。

实际上,空间感应到导线的上的干扰电压都是共模形式的。电路可以有一个共模扼流圈、两只共模滤波电容来构成,就可以获得好的滤波效果。

但要注意:这里的共模Y电容容量与原来的相加,可能导致漏电流超标。

这种将滤波器分成线路板上和端口处两部分的方法具有很高的费效比,在对成本控制不很严,而对干扰抑制要求较高的场合,可以考虑这个方法。

注意:解决电源线EMC问题的最有效的方法是在电源入口安装电源线滤波器。衡量滤波器的重要指标是插入损耗。不良的滤波器和不正确的安装方式起不到预期的作用。要获得预期的效果,不仅滤波器要满足要求,而且安装方式也很重要。

对于EMC的设计来说,滤波器的设计对于共模电流无论是注入接口上的共模干扰电流,还是内部电路产品的共模噪声电流来讲,都是非常重要的。

1)对于共模滤波器,其不但使共模电流减小,而且对于具有共模滤波Y电

容的共模滤波器,还能改变共模电流的路径。

   2)对于差模滤波器,不能改变共模电流的大小也不能改变共模电流的路径,但是能将共模电流传输中由于传输电路不平衡而转换成差模干扰信号而滤除。

因此,由于器件参数的非理想特性,在实际的产品设计中如果不能通过EMI的传导发射测试,还可以通过测试曲线数据来指导进行滤波器的设计优化(测试整改)。其相关的内容可参考《物联产品电磁兼容分析与设计》第8章的内容。

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