現(xiàn)象描述

圖1 某產(chǎn)品電源濾波電路原理

某塑料外殼產(chǎn)品，其AC電源入口的濾波電路如圖1 所示，從圖1 所示的電路原理圖可以看出，濾波電容中采用兩級Y電容的共模濾波，Y電容CY2和CY1分別位于共模電感M的兩邊。PE是產(chǎn)品的接地端子，傳導(dǎo)發(fā)射試驗頻段范圍為150kHz～30MHz，進行傳導(dǎo)騷擾測試時，該產(chǎn)品放置在0.8m高的絕緣臺面上，測試結(jié)果顯示傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)(見圖2 )。

圖2某產(chǎn)品修改前的傳導(dǎo)發(fā)射測試結(jié)果

在圖2中，測試結(jié)果在整個頻段上除了個別點都能滿足限值要求，測試過程中,雖然經(jīng)過多次改變電感電容的參數(shù)，但是效果并不明顯，超標(biāo)的個別頻率點依然無法消除。另外，從測試結(jié)果可知，超標(biāo)的頻率點在2 MHz -3MHz，且與裝置采用的CPU晶振等頻率并無明顯相關(guān)關(guān)系。在解決電子產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾問題時，嘗試割斷電容CY1對地引線，測試結(jié)果見圖3，發(fā)射值在整個頻段范圍內(nèi)都降低了很多，測試通過。

圖3 修改設(shè)計后的傳導(dǎo)發(fā)射測試結(jié)果

原因分析

對于傳導(dǎo)騷擾問題的分析，可以從傳導(dǎo)騷擾測試的實質(zhì)出發(fā)，分析流過LISN的騷擾電流大小。根據(jù)電源產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾的原理和傳導(dǎo)騷擾測試的原理，可以畫出如圖4所示的塑料外殼產(chǎn)品存在CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖。

圖4 塑料外殼產(chǎn)品存在CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖

根據(jù)圖4塑料外殼產(chǎn)品存在CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖所示,開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾共模電流ICM 在產(chǎn)品的電源端口和測試系統(tǒng)中的LISN之間產(chǎn)生分流，其主要路徑分為兩路，一路流向PE接地線，即圖4中的IPE;另一路流向LISN,即圖4中的ILISN,它直接決定著傳導(dǎo)騷擾的測試結(jié)果(共模傳導(dǎo)騷擾)。從圖4.58也可以看出，ILISN的大小取決于PE點與參考接地板之間的電位差，或A/B點與參考接地板之間的電位差，當(dāng)A/B、PE與參考接地板之間的電位差都等于零時(即PE線無阻抗，CY2和CX1濾波完美)，ILISN的大小將等于零。但是實際上，PE接地線是一根約1m長的線，其寄生電感約為1μ H(較長導(dǎo)線的寄生電感與電纜粗細影響不大，粗細只影響電纜的等效電阻)。這種情況下,當(dāng)共模電流I PE(圖4中所示)流過PE線時，PE線上產(chǎn)生點壓降ΔV 就像一個電壓源一樣，使LISN上流過一個電流ILISN, 即ILISN必然不等于零，如圖5 (b)所示。共模電流ILISN的大小在PE線寄生電感一定的情況下，取決于LISN的接電源線處到產(chǎn)品中接地點PE之間(即圖5 (b)中C/D到PE之間)的阻抗。對于本案例產(chǎn)品的濾波電路設(shè)計來說，LISN的接電源線處到產(chǎn)品中接地點PE之間存在兩條路徑，第一條是：LISN接電源線處通過CY1到產(chǎn)品中接地點PE(即圖5(b)中ILISN2電流所在的路徑);第二條是：LISN接電源線處通過共模電感M和CY2到產(chǎn)品中接地點PE(即圖5 (b)中ILISN1電流所在的路徑)。由于第一條路徑的阻抗要遠小于第二條路徑上的阻抗(如，CY1為4.7nf,其在3MHz的頻率下，阻抗約為10Ω，而共模電感M為10mH時，在3MHz的頻率下，阻抗且約為200kΩ)，因此，此時共模電感M相當(dāng)于被電容CY1旁路，流過LISN的共模電流ILISN沒有被共模電感M抑制，傳導(dǎo)騷擾測試電平較高。

圖5 塑料外殼接地產(chǎn)品存在CY1的共模電流路徑分析原理圖

割斷電容CY2對地引線后，圖4 和圖5 所示的情況發(fā)生了變化，即，此時，流過LISN的共模電流ILISN被共模電感M抑制，共模電感M發(fā)揮了作用，使傳導(dǎo)騷擾共模電流ILISN降低，測試通過 。無CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖如圖6 所示。

圖6 無CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖

處理措施

圖1所示的濾波電路原理圖中，在共模電感兩側(cè)，分別有一個對地共模電容，表面看來沒有什么不妥之處，但從另外一個角度來看，兩個電容之間形成了另一個通路，即裝置內(nèi)部的干擾信號通過電容CY1 回到電源端口，旁路了應(yīng)該發(fā)揮共模電流抑制作用的共模電感M而是傳導(dǎo)騷擾失敗，按以上原理分析，只要去掉共模電感前端的Y電容CY1.就可以使本案例中的產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾測試通過，并保持有一定的余量。

思考與啟示

一味的接地或增加濾波器件并不是抑制電源端口共模傳導(dǎo)騷擾的方法，傳導(dǎo)騷擾的本質(zhì)是騷擾電流(包括共模與差模，高頻時以共模電流為主)流過LISN，通過濾波電路或接地改變騷擾電流的流向，不讓騷擾電流流向LISN，并盡量較小流向LISN的騷擾電流的大小才是正確的產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾抑制設(shè)計的指導(dǎo)思路。

雖然本案例是通過去除CY1來解決傳導(dǎo)騷擾的問題，但是并非說圖1 所示的濾波電路設(shè)計是個錯誤。前面對流向LISN的共模電流ILISN的分析 是基于產(chǎn)品接地阻抗較高(塑料外殼產(chǎn)品)、CY2電容濾波較為理想(即CY2兩端壓降在某頻率下接近于零)、共模電流ICM主要是從參考接地板返回到產(chǎn)品內(nèi)部的情況下之上的。

實際上圖4 或圖5 中A/B點到參考接地板之間的共模電壓不但與PE接地線及其上的共模電流大小有關(guān)，還有CY2的阻抗有關(guān)。實際產(chǎn)品中CY2不可能做到非常低的阻抗，即CY2兩端存在共模電壓降ΔV’。此時，圖5 (b)的共模等效電路原理圖，可以轉(zhuǎn)化為如圖7所示的CY2兩端存在共模電壓降ΔV’導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾問題的原理圖。

圖7 CY2兩端存在共模電壓降導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾問題的原理圖

從圖7中可以看到CY1的存在，反而旁路了流向LISN的共模電流。也就是說，此時，CY1對電源端口的傳導(dǎo)騷擾測試的通過是有幫助的，這與圖5所示的情況正好相反。

實際上，PE接地線上共模電流很小的產(chǎn)品通常是帶有金屬外殼并連接正確的產(chǎn)品。圖8 是金屬外殼產(chǎn)品存在CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖 。

圖8 金屬外殼產(chǎn)品存在CY1時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖

對于金屬外殼的產(chǎn)品，由于金屬外殼的存在，金屬外殼可以把大部分開關(guān)電源產(chǎn)生的共模騷擾電流在到達參考接地板或LISN之前旁路在金屬外殼之內(nèi)(前提是連接正確)。這樣，這種產(chǎn)品的PE接地線上流過的共模電流就會很少，PE接地線上的共模電壓ΔV也會很低，CY1導(dǎo)致像如圖4 或圖5 原理所示產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾影響也很小。相反，CY1對如圖7 原理所示產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾的影響卻很大。這也是為什么有些產(chǎn)品在電源入口處再增加一個Y電容反而對EMI很有幫助的原因。

可見對于金屬外殼來說 ，采用圖1所示的濾波電路還是可取的，它會對高頻(如10MHz以上，100MHz以下)的抑制帶來一定的好處。通常情況下，1000pf左右容值的CY1已經(jīng)足夠了。原理見如圖9 所示。

圖9 金屬外殼產(chǎn)品存在CY1的共模電流路徑分析原理圖

低頻時，即使是金屬外殼的產(chǎn)品也不會對抑制電源端口的傳導(dǎo)騷擾帶來很大的幫助，那是因為，低頻時，CY1的阻抗要遠大于比25歐姆(LISN等效共模阻抗)，CY1的增加并不會減小流向LISN的共模電流。

濾波器件并非越多越好。

原文標(biāo)題：經(jīng)典案例分析：濾波器件是否越多越好?

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審核編輯：湯梓紅