抗电源电磁干扰的EMI滤波器设计原理、结构及使用方法-电路图讲解-电子技术方案

  1、引言 随着现代科学技术的飞速发展，电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛，它们在运行中产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满整个空间，形成复杂的电磁环境。复杂的电磁环境要求电子设备及电源具有更高的电磁兼容性。于是抑制电磁干扰的技术也越来越受到重视。接地、屏蔽和滤波是抑制电磁干扰的三大措施，下面主要介绍在电源中使用的EMI滤波器及其基本原理和正确应用方法。  

2、电源设备中噪声滤波器的作用 电子设备的供电电源，如220V/50Hz交流电网或115V/400Hz交流发电机，都存在各式各样的EMI噪声，其中人为的EMI干扰源，如各种雷达、导航、通信等设备的无线电发射信号，会在电源线上和电子设备的连接电缆上感应出电磁干扰信号，电动旋转机械和点火系统，会在感性负载电路内产生瞬态过程和辐射噪声干扰；还有自然干扰源，比如雷电放电现象和宇宙中天电干扰噪声，前者的持续时间短但能量很大，后者的频率范围很宽。另外电子电路元器件本身工作时也会产生热噪声等。   这些电磁干扰噪声，通过辐射和传导耦合的方式，会影响在此环境中运行的各种电子设备的正常工作。   

 另一方面，电子设备在工作时也会产生各种各样的电磁干扰噪声。比如数字电路是采用脉冲信号（方波）来表示逻辑关系的，对其脉冲波形进行付里叶分析可知，其谐波频谱范围很宽。另外在数字电路中还有多种重复频率的脉冲串，这些脉冲串包含的谐波更丰富，频谱更宽，产生的电磁干扰噪声也更复杂。   各类稳压电源本身也是一种电磁干扰源。在线性稳压电源中，因整流而形成的单向脉动电流也会引起电磁干扰；开关电源具有体积小，效率高的优点，在现代电子设备中应用越来越广泛，但是因为它在功率变换时处于开关状态，本身就是很强的EMI噪声源，其产生的EMI噪声既有很宽的频率范围，又有很高的强度。这些电磁干扰噪声也同样通过辐射和传导的方式污染电磁环境，从而影响其它电子设备的正常工作。   

 对电子设备来说，当EMI噪声影响到模拟电路时，会使信号传输的信噪比变坏，严重时会使要传输的信号被EMI噪声所淹没，而无法进行处理。当EMI噪声影响到数字电路时，会引起逻辑关系出错，导致错误的结果。   对于电源设备来说，其内部除了功率变换电路以外，还有驱动电路、控制电路、保护电路、输入输出电平检测电路等，电路相当复杂。这些电路主要由通用或专用集成电路构成，当受电磁干扰而发生误动作时，会使电源停止工作，导致电子设备无法正常工作。采用电网噪声滤波器可有效地防止电源因外来电磁噪声干扰而产生误动作。

 图1电磁干扰信号示意图

 图2电源滤波器的基本电路图   另外，从电源输入端进入的EMI噪声，其一部分可出现在电源的输出端，它在电源的负载电路中会产生感应电压，成为电路产生误动作或干扰电路中传输信号的原因。这些问题同样也可用噪声滤波器来加以防止。   

 在电源设备中采用噪声滤波器的作用如下：   （1）防止外来电磁噪声干扰电源设备本身控制电路的工作； （2）防止外来电磁噪声干扰电源的负载的工作； （3）抑制电源设备本身产生的EMI； （4）抑制由其它设备产生而经过电源传播的EMI。   开关电源本身在工作时以及电子设备处于开关工作状态时，都会在电源设备的输入端出现终端噪声，产生辐射及传导干扰，也会进入交流电网干扰其它的电子设备，所以必须采取有效措施加以抑制。在抑制EMI噪声的辐射干扰方面，电磁屏蔽是最好的方式。而在抑制EMI噪声的传导干扰方面，采用EMI滤波器是很有效的手段，当然应配合良好的接地措施。   在国际上各个国家都实行了严格的电磁噪声限制规则，如美国有FCC，德国有FTZ，VDE等标准。如电子设备不满足噪声限制规则，则产品就不能出售和使用。   由于上述种种原因，在电源设备中必须要设计使用满足要求的电网噪声滤波器。  

3、EMI噪声和滤波器的类型 在电源设备输入引线上存在二种EMI噪声：共模噪声和差模噪声，如图1所示。把在交流输入引线与地之间存在的EMI噪声叫作其共模噪声，它可看作为在交流输入线上传输的电位相等、相位相同的干扰信号，即图1的电压V1和V2。而把交流输入引线之间存在的EMI噪声叫作差模噪声，它可看作为在交流输入线传输的相位差180°的干扰信号，即图1中的电压V3。共模噪声是从交流输入线流入大地的干扰电流，差模噪声是在交流输入线之间流动的干扰电流。对任何电源输入线上的传导EMI噪声，都可以用共模和差模噪声来表示，并且可把这二种EMI噪声看作独立的EMI源来分别抑制。   在对电磁干扰噪声采取抑制措施时，主要应考虑抑制共模噪声，因为共模噪声在全频域特别在高频域占主要部分，而在低频域差模噪声占比例较大，所以应根据EMI噪声的这个特点来选择适当的EMI滤波器。   电源用噪声滤波器按形状可分为一体化式和分立式。一体化式是将电感线圈、电容器等封装在金属或塑料外壳中；分立式是在印制板上安装电感线圈、电容器等，构成抑制噪声滤波器。到底采用哪种形式要根据成本、特性、安装空间等来确定。一体化式成本高，特性较好，安装灵活；分立式成本较低，但屏蔽不好，可自由分配在印制板上。  

4、噪声滤波器的基本结构 电源EMI噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的EMI噪声；同时又能有效地抑制电源设备产生的EMI噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备。   单相交流电网噪声滤波器的基本结构如图2所示。它是由集中参数元件组成的四端无源网络，主要使用的元件是共模电感线圈L1、L2，差模电感L3、L4，以及共模电容CY1、CY2和差模电容器CX。若将此滤波器网络放在电源的输入端，则L1与CY1及L2与CY2分别构成交流进线上两对独立端口之间的低通滤波器，可衰减交流进线上存在的共模干扰噪声，阻止它们进入电源设备。共模电感线圈用来衰减交流进线上的共模噪声，其中L1和L2一般是在闭合磁路的铁氧体磁芯上同向卷绕相同匝数，接入电路后在L1、L2两个线圈内交流电流产生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通饱和，又使这两个线圈的电感值在共模状态下较大，且保持不变。   差模电感线圈L3、L4与差模电容器CX构成交流进线独立端口间的一个低通滤波器，用来抑制交流进线上的差模干扰噪声，防止电源设备受其干扰。   图2所示的电源噪声滤波器是无源网络，它具有双向抑制性能。将它插入在交流电网与电源之间，相当于这二者的EMI噪声之间加上一个阻断屏障，这样一个简单的无源滤波器起到了双向抑制噪声的作用，从而在各种电子设备中获得了广泛应用。  

5、噪声滤波器的主要设计原则 共模电感线圈使用的磁芯有环形、E形和U形等，材料一般采用铁氧体，环形磁芯适用于大电流小电感量，它的磁路比E形和U形长，没有间隙，用较少的圈数可获得较大的电感量，由于这些特点它具有较佳的频率特性。而E形磁芯的线圈泄漏磁通小，故当电感漏磁有可能影响其它电路或其它电路与共模电感有磁耦合，而不能获得所需要的噪声衰减效果时应考虑采用E形磁芯作成共模电感。   差模电感线圈一般采用金属粉压磁芯，由于粉压磁芯适用频率范围较低，在几十kHz～几MHz，其直流重叠特性好，在大电流应用时电感量也不会大幅下降，最适合作为差模电感。   图2中，电源噪声滤波器使用二种电容器，CX、CY1和CY2，它们在滤波器中的作用不同，还有不同的安全等级要求，因此其性能参数直接与滤波器的安全性能有关。   

 差模电容CX接在交流电进线两端，它上面除加有额定交流电压以外，还会叠加交流进线之间存在的各种EMI峰值电压。所以该电容器的耐压及耐瞬态峰值电压的性能要求较高，同时要求该电容器失效后，不能危及后面电路及人身安全。CX电容器的安全等级又分为X1和X2两类，X1类适用于一般场合，X2类适用于会出现高的噪声峰值电压的应用场合。   共模电容CY接在交流电进线与机壳地之间，要求它们在电气和机械性能上，应有足够大的安全余量，万一它们发生击穿短路，将使设备机壳带上危险的交流电，如设备的绝缘或接地保护失效，可能使操作人员遭受电击，甚至危及人身安全。因此对CY电容器的容量要进行限制，使其在额定频率的电压下漏电流小于安全规范值。另外还要求其应有足够的耐压及耐瞬态高峰值电压的余量，并且万一发生电压击穿它应处于开路状态，而不会使设备机壳带电。   

 综上所述，在设计和选择电网噪声滤波器时，因为它们工作在高电压、大电流、恶劣的电磁干扰环境中，首先必须考虑所用电感器和电容器的安全性能。对于电感线圈，其磁芯、绕线的材料，绝缘材料和绝缘距离、线圈温升等都应予重视。对于电容器，其电容种类、耐压、安全等级、容量、漏电流等都应优先考虑，特别要求选择经过国际安全机构安全认证的产品。                                          

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  介绍了以TL494为核心，采用PWM技术的直流电机控制系统。基于TL494的H桥直流电机控制系统可简化电路结构、驱动能力强、功耗低并且控制方便，性能稳定。   由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。  

1、直流电机PWM调速控制原理 众所周知，直流电动机转速公式为：

 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制（PWM）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。   PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。   电压-脉宽变换器结构如图1所示，由三角波发生器、加法器和比较器组成。三角波发生器用于产生一定频率的三角波UT，该三角波经加法器与输入的指令信号UT相加，产生信号UI+UT，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号UI+UT从正端输入。当UI+UT》0时，比较器输出满幅度的正电平;当UI+UT《0时，比较器输出满幅度的负电平。

 图1电压-脉宽比较器   电压-脉宽变换器对信号波形的调制过程如图2所示。由于比较器的限幅特性，输出信号Us的幅度不变，但脉冲宽度随UI的变化而变化，Us的频率由三角波的频率所决定。   当指令信号UI=0时，输出信号Us为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。当UI》0时，Us的正脉宽大于负脉宽。当UI《0时，Us的正脉宽小于负脉宽。当UI》UTPP/2时（UTPP是三角波的峰值），Us为一正直流信号;当UI《UTPP/2时，Us为一负直流信号。

 图2PWM脉宽调制波形   2、直流电机驱动控制总流程图 直流电机驱动控制电路分为控制信号电路、脉宽调制电路、驱动信号放大电路、H桥功率驱动电路等部分，控制总流程如图3所示。  

图3直流电机驱动控制总流程图   由图3可以看出，首先由单片机发出电机逻辑控制信号，主要包括电机运转方向信号Dir，电机调速信号PWM及电机制动信号Brake，然后由TL494进行脉宽调制，其输出信号驱动H桥功率电路来驱动直流电机。其中H桥是由4个大功率增强型场效应管构成的，其作用是改变电机的转向，并对驱动信号进行放大。  

3、TL494脉冲宽度调制电路3.1TL494各管脚功能 在实现电机PWM控制的电路中，本系统选用TL494芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。共16个管脚，其功能结构如图4所示。   TL494芯片广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。其片内资源有：   ◆集成了全部的脉宽调制电路。 ◆片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。 ◆内置误差放大器。 ◆内止5V参考基准电压源。 ◆可调整死区时间。 ◆内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。 ◆推或拉两种输出方式。  

  3.2工作原理简述 TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：      

 图4TL494结构图   输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。   控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间，约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。   该芯片具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。  

3.3基于TL494推挽式输出的电路设计 该控制系统的具体实现电路如图5所示。系统功率驱动选用MOSFET，其输入阻抗很高，可直接由晶体三极管驱动。TL494的13脚用来控制输出模式。在该系统中，选择将该端输入为低电平，这时TL494内触发器Q1和Q2不起作用，两路输出相同，其频率和振荡器频率相同、最大占空比为98%。    

 图5基于TL494推挽式输出的电路设计                                          

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