电磁炉EMI滤波器的设计与应用

摘要：当电路中有电压存在时，在所有带电的元器件周围都会产生电场，当电路中有电流流过的时候，在所有载流体的周围都存在磁场，所有的电子和电气设备都是潜在的电磁干扰(EMI)源。本文在电磁干扰未到达扰设备前，根据其传播的特点，采用各种手段将传播切断或削弱，迟到抑制干扰的目的。干扰经导线直接传导耦合到电路中是最常见的。抑制由导线直接传导的干扰，主要措施是串接滤波器。

关键字：电源滤波器；共模干扰；差模干扰；EMI

引言

一个好的电子产品，除了产品自身的功能外，电路设计和电磁兼容(EMC)设计的水平，对产品的质量和技术性能指标起到非常关键的作用。现代的电子产品，功能越来越强大，电子线路也越来越复杂，电磁干扰和电磁兼容性问题成为人们迫切需要关注和解决的一个重要技术问题，发达国家已经把电磁兼容作为一种非关税贸易壁垒来保护他们的市场。

EMI滤波器的设计

滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰。滤波是压缩信号回路干扰频谱的一种方法，当干扰频谱的成分不同于有用信号的频带时，就可以用滤波器将无用的干扰过滤减小到一定程度，使传出系统的干扰不至于超出给定的规范，使传人系统的干扰不至于引起系统的误动作。滤波器将有用信号和干扰频谱隔离的越充分，它对减小有用信号回路内干扰的效果就越好。因此，恰当地设计滤波器对抑制传导干扰是极其重要的。

EMI滤波器设计原则

滤波器的设计既可以用电抗组件实现，也可以用吸收组件实现。前者将不需要的干扰信号反射回去，后者将不需要的干扰信号吸收掉。反射式滤波器通常由电感或(和)电容这两种电抗组件组成，使在通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗。反射式滤波器就是利用LC建立起一个高的串联阻抗和低的并联阻抗，把干扰频率成分的能量反射回信号源而达到抑制干扰的目的。

滤波器的有效性取决于与滤波器连接的前后网络的阻抗。要达到有效地抑制EMI信号的目的，必须根据滤波器两端连接的EMI信号的源阻抗和负载阻抗合理连接。

如图1所示，当滤波器的输出阻抗zout与负载电阻zL相等时，两者匹配，此时负载无反射。当zL≠Zout时，电路失配，则终端会产生反射，我们定义反射系数r为

r=(zout-zL)／(Zout+zL)(1)

当负载含有电抗时，反射系数是复数。反射系数与衰减的关系是

Ar=-1O1g(1-IrI2)(2)

工程应用中，常用反射系数r来表示通带内的最大时配情况。

设图2中滤波网络是电源EMI滤波器，用表示源端对滤波网络的反射系数，r2表示负载端对滤波网络的反射系数，分三种情况讨论：

①对电源频率50Hz、60Hz或400Hz的交流信号而言，要求滤波网络无损耗传送。即：

f1=f2=0，zs=zin，ZL=zout

②为了滤除电网传来的EMI信号，要求：

Zs=zin，r1=0，电网上的干扰传人网络；

zL>>Zout，F2=1，滤波网络全部吸收干扰(从负载全反射)。

③为抑制电子设备内产生的EMI信号，要求滤波网络：

ZL=Zout，F2=0，电子设备中的干扰传入网络；

zs>>zin，f1=l，网络全部吸收电子设备中的干扰。

由于电源系统阻抗值和干扰源的阻抗值随时间、场合和频率大范围内变化，难以设计一个滤波网络，同时满足上述三个要求。但是对EMI信号的反射，会增加对EMI信号的衰减，其数值可以用式(2)计算，以实现对EMI信号有效的抑制。

根据EMI滤波器的基本原理和上述设计原则，为某电磁炉产品设计的EMI滤波器原理图如图2所示：

EMI滤波器的参数确定

1．残余电压释放电阻R取值

在允许的情况下，电阻取值越小越好，根据实际情况考虑以下因素：

①电阻要求采用二级降额使用，保证可靠性。降额系数为0．75、0．6W。根据欧姆定律可求出R>(0.75Ve)／(0．6Pe)。

②经过雷击浪涌后有残余电压，其瞬时值一般在1000V取值；其瞬时功率不能超过额定功率的4倍，可求出R>(Vcy)／(4p)。

③电阻要与cx电容器配合使用，使时间常数r=R・cx小于2秒。当电容充放电时间等于T时，cx电容器两端的电压上升或下降是最大值的63％。

综合考虑，一股情况下，电阻R取值在75K Q～200k Q之间，功率为2W-3W的金属膜电阻。

2．cx电容器取值

cx电容器是指该电容器失效后，不会导致工作人员遭电击、不危及人身安全。电容器两端必须并联安全电阻，用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全标准规定，工作中的机器电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端电压(或对地电位)必须小于原来电压30％。电容器上除加有电源额定电压外，还会迭加上L和N之间存在的各种EMI信号峰值电压。根据电容器应用的最坏情况和电源断开的条件，cx电容器的安全等级分为x1和x2两类，见表1。

Cx电容器一般选用纹波电流比较大的聚酯薄膜安全电容，这种电容体积一股都很大，但其允许瞬间充放电的电流很大，即：内阻比较小。普通电容器纹波电流指标一般都很小，动态内阻比较大，用普通电容器代替cx电容器，除耐压条件不能满足以外，一般纹波电流指标也是难以满足要求的。cx电容器一般取值在1uF～5uF之间。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值， 浪涌残压瞬时值在1000V／s时电容不损坏，按二级降额的原则选取，取值在275V。

3．cy1、Cy2电容器取值

这两个电容器会引起设备漏电或机壳带电，容易危及人身安全，它们都属于安全电容，其容量不能大，一般取值在2200pF～4700pF之间(对每个电容)，并且要求耐压很高，否则，机器将会漏电。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，残压瞬时值在1000V／s时不损坏，按二级降额的原则选取，取值在275V。

电容器频率特性与电容的取值有关，取值越小，频率特性越好。cx电容器和cy电容器，一般都是通过较小的电容器并联来满足容量的要求，这样滤波器的高频特性好。

4．电感器取值

从以下几个方面考虑电感器材料的选取：第一，磁芯材料频率范围宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率；第二，磁导率高，实际中很难满足这一要求，所以，磁导率通常分段考虑。共模线圈磁芯材料一般选用铁氧体环形磁芯，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。电感量的估算应考虑阻抗和频率。通常共模线圈取值在1．5mH-5mH之间，差模扼流圈取值为10uH-50uH之间。

设计电源EMI滤波器时，因为它们工作在高电压、大电流、恶劣的电磁环境中，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、线圈温升等都应予以重视。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。

EMI滤波器的安装

电源EMI滤波器对电磁干扰的抑制作用不仅取决于它的设计和工作条件，而且取决于滤波器的实际安装情况。电源EMI滤波器的安装质量对滤波效果影响很大，只有安装位置恰当，安装方法正确，才能对干扰起到预期的滤波作用。安装时要注意以下几点：

①安装位置要依据干扰的侵入途径确定。当只有一个或很少几个干扰源影响多个敏感设备时，应在干扰源一侧接人滤波器，这样不仅可以减少使用滤波器的数目，而且可以使干扰局限于干扰源附近，降低对低电平线的要求。反之，当只有一个敏感设备而有多个干扰源时，滤波器应安装在敏感设备一侧。如果干扰来自电源线辐射，则应在电源出口处安装滤波器，否则辐射干扰将通过各种途径侵入敏感设备。

②滤波器的输入配线和输出配线应尽量远离，日．屏蔽隔离，以最大限度地减小输入输出之间的耦合电容，减小其旁路作用引入的传导干扰与辐射干扰。

③滤波器必须设有良好的高频接地，否则，当滤波电容与地线阻抗谐振时，将产生很强的干扰，降低高频滤波效果。为此，滤波器多采用机壳直接接地。

④滤波器的所有连线特别是地线应尽量短，并按顺序布置。

EMI滤波器的测试结果

EMI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EMI滤波器。设计的分立式EMI滤波器测试结果如图3所示。

结语

EMI滤波器的设计，主要依据电磁干扰特性和系统电磁兼容性的要求，在了解电磁干扰的频率范围，估计干扰的大致量级的基础上进行。首先要了解滤波器的使用环境，重点考虑其安全性能参数。根据接入电路的要求，以产生最大阻抗不匹配的原则来设计滤波器的网络结构和参数，使滤波器对EMI噪声产生最佳的抑制效果，从而实现EMC设计。

参考文献：

1、中国人民总装备部军事训练教材编辑工作委员会，‘电磁兼容技术[M]，’北京：国防工业出版社，2005．2．

2．杨继深编著，‘电磁兼容技术产品之产品研发与认证[M]，’北京：电子工业出版社，2004．6．

3．湖北电磁兼容学会编，‘电磁兼容性原理及应用[M]，’北京：国防工业出版社，1996．4．

4．诸邦田编著，‘电子电路使用抗干扰技术[M]，’北京：人民邮电出版社，1994．10．

5．吴良斌、高玉良、李延辉编著，‘现代电子系统的电磁兼容性设计[M]，’北京：国防工业出版社，2004(2005．7重印)．