将模块化 EMI 交流线路滤波器与应用的直流电源需求相匹配

对于交流电源供电的设备，通常的做法是使用集成到连接器或作为底盘安装部件安装的模块化交流线路滤波器，特别是在工业、医疗保健和 ITE 等专业环境中。该设备通常包括嵌入式交流-直流转换器或电源，也可能安装在底盘上，有时也可能安装在机架或 PCB 上。在每种情况下，电源作为独立部件始终会满足辐射的法定要求，通常是针对传导和辐射干扰的 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，仅使用兼容组件并不能保证最终产品“通过” EMC 合规性。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假设的 AC 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具体的条件下进行的。当使用内部安装的 AC-DC 转换器对最终产品进行测试时，所有这些条件都会发生变化，从而导致不同的且通常更差的传导 EMI 特征。来自其他组件的辐射 EMI 也可能在电源线上被拾取，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以作为解决方案，但有数百种过滤器可供选择，哪一个是最佳选择?我们首先看一下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这个典型的模块化 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 可衰减由转换器内电流快速变化产生的从线路到中性点出现的差模噪声、信号和尖峰。电容器因其承受交流线路电压瞬变的能力而被评定为 X1、X2 或 X3。电感器 L 是共模或电流补偿扼流圈，具有如图所示的两个定相绕组。共模噪声是由转换器内电压的快速变化产生的，从线路和中性点到地，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不必担心磁饱和。通常，L 的绕组之间的耦合不太完美，因此会产生一些漏感，表现为一个单独的串联电感，增加了差模衰减。

虽然 CX 可以是实际限制内的任何电容值，但两个 CY 值受到接地泄漏电流要求的限制。它们有 Y1、Y2、Y3 和 Y4 类型，额定工作电压和瞬态电压逐渐降低。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(火线和中性点到地)。如果设备金属件的保护性接地连接失效，外壳会通过 Y 电容器“浮动”至线路电压，并可能导致触电。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，该量由用于特定应用环境的标准设定。限制范围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，如果突然断开交流电源且无法依靠负载排出电荷，则该电阻器可对 CX 进行放电，从而在交流连接器引脚上留下潜在的危险电压。 ITE 和媒体设备安全的 IEC 62368-1 等标准规定，当 CX > 300nF(纳法)时，R1 应在两秒后将电容器放电至低于 60V，当 CX < 300nF 时允许更高的电压。同样，对于只有经过培训的人员才能访问的设备，允许的电压限制更高。

但其他标准有所不同。例如，针对医疗设备的 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 等标准还对电阻器提出了要求，如果电阻器安装在保险丝之前，则必须承受瞬态电压，且电阻偏差不超过 10%。因此，电阻器 R1 将是高规格部件。在某些应用中，正常条件下 R1 中消耗的功率可能会限制其遵守机构规定的待机或空载损耗限制的机会。

在商业应用中，线路中单个保险丝是正常的。如果熔丝元件符合标准，就可以放宽下游组件(例如前面提到的 R1)的规格。某些应用(例如医疗设备和 II 类 IT)需要熔断火线和中性线，以防止意外连接反转的可能性。在单个熔断器的情况下，连接反转将使带电线路没有熔断，并在火线与保护接地发生短路时依赖于供电开口中的上游熔断器或断路器。但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打开，从而可能引发火灾。双熔断确实有缺点，但是，中性线过流可能会仅断开中性线保险丝，使设备表面上已死亡，但内部仍具有带电连接。

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，机械变型可用作带螺钉或卡入式安装的 IEC 入口，并可选择开关和无保险丝、一个或两个保险丝。 IEC 入口类型的 C14 额定电流为 10A，C20 额定电流为 16A，底盘安装部件可提供 20A 及更高电流。底盘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上，可提供非常有效的 EMI 衰减。

对于所有类型，均提供医用版本，该版本省略了 Y 电容器，可将漏电流降低至通常最大 5 µA。这种省略必然意味着共模衰减减少，并且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，滤波器上的负载在 90 VAC 时功率因数为 0.9，功率为 200 W，则消耗的电流为 200 W/ (0.9 x 90 VAC) = 2.47A。在这种情况下，可以选择3A级的滤波器。

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，然后计算外部滤波器需要额外的量才能满足规格。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得出的，通常是 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) 来标准化交流电源，但应用负载可能与数据表的测试条件有很大不同。

AC-DC电源中与内部滤波器级联的滤波器模块也可能导致意想不到的结果，发生潜在的谐振，甚至可能导致临界频率下的EMI放大。在 1 MHz 左右，滤波器衰减使发射降低了预期的量，但在 10 MHz 及以上，改善情况与预期不符，这表明模块化滤波器并未“看到”50 欧姆，因为在这些频率处终止。它给出的衰减低于预期。这一结果证实了进行实际测量以确认合规性的必要性。

尽早实现 EMC 合规性对于避免最终产品测试中出现代价高昂的失败至关重要。然而，解决方案并不是简单地在交流入口处使用超大的模块化滤波器，这会增加不必要的成本，甚至会适得其反，产生意想不到的衰减结果。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。