电子镇流器中电磁干扰(EMI)滤波器
2009-03-06 10:20:03
来源：《国际电子变压器》2009年3月刊
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1 前言
我国加入 WTO 后，与世界经济接轨，所有的电子、电力产品的都须达到电磁兼容 EMC 的标准才能进入国际市场，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（EMI）和电磁兼容性问题变成了主要问题，电路设计对设计师的技术水准要求也越来越高。先进的计算机辅助设计（CAD）在电子线路设计方面很大程度地拓宽了电路设计师的工作能力，但对于电磁兼容设计帮助却很有限。所以，一些电子产品在设计中必须采用一些适当的抗电磁干扰的 EMI 元器件，这里主要是介绍一部份电子镇流器电磁干扰（EMI）滤波器。
2 EMI的概述及传播方式
大家都知道，EMI 的英文 Electro Magnetic Interference 的简称，译为电磁干扰，是由于电磁波造成电子设备，含计算机与家用电器，传输通道或电网系统性能降低的一种电磁现象，我们经常说的射频干扰（RFI），实际上也从属于 EMI。它严重影响及破坏电子设备的正常工作，同时也威胁人类的人身健康，在各国组织中陆续制定了一些对电子产品电磁干扰的标准和措施，来对其进行限制。
EMI 干扰的来源，既有外界的，也有内部的；有人为设计的，也有非人为的各种因数，事实上，各种机器、电子设备都可以看作是外部的 EMI 的来源，除了像无线电和电视广播那样发射设备、手机及无绳电话、雷达和 GPS 导航系统等通讯设备，还有家用电器的产品、计算机办公自动化设备、荧光灯电力线，电子测量仪器和机动车辆均可视为 EMI 的发射源。所以这类干扰无处不在，简直是数不胜数，除人为的各种因素外，还有自然中闪电、宇宙噪音、太阳光幅射统统都属于自然干扰源。所以电磁干扰严重影响电设备的正常运行，甚至会使电元器件发生永久的破坏，因而必须采取措施，以对其给予充分抑制。
EMI 干扰有两种传播方式：即传导干扰与辐射干扰，传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电电介质，如数据线或公共地线互相产生干扰，也可以这样理解：是指透过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络；而辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过磁场或电场耦合以干扰信号传播途径给另一个电网或电子设备。
传导的干扰又分为共模（CM）干扰和差模（DM）干扰两种：
差模干扰是指在系统两电源线火线与零线之间产生干扰电压噪声，与地线无关，差模电流是从一电源线流出，而从另一电源线返回；共模干扰（非对称模式）是每条电源线与大地间产生的干扰电压噪声，共模电流从干扰源通过分布电容接入地，沿地线传播，再经每条电源线返回，一般 f<30MHz 为传导噪声干扰，f>30MHz 为辐射噪声干扰。
3 电子镇流器的 EMI 方法与滤波电路特性
目前抑制 EMI 的技术措施有很多，大部份采用屏蔽、接地（浮地，单点接地与接地网）、滤波等，其中 EMI 滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的方法，由于各种干扰设备在系统接口处最为严重，所以 EMI 滤波器均插入到系统或电源输入端的接口处。电子荧光灯镇流器输入电路的 EMI 的滤波器有 C（纯电容）、L 型（一个电感，一个电容）、T 型（两个电感，一个电容），ñ 型（一个电感，二个电容），双 n 型（对称绕于同一个磁芯的两个电感与两只电容）等。对于大功率电子镇流器，其输入电路的 EMI 滤波器大多采用双 ñ 型滤波器为基础的复合式型电路结构，目前被广泛采用的 EMI 滤波器电路如图 1 所示。
在图 1 中，L1 与 L、C 与 C 组成 EMI 滤波器，用于差模与共模方式的 EMI/RFI 的抑制，在元器组件数值上都是对称相等，L1= L2 、C1= C2 、C3= C4，其中 R 为泄放电阻，可将电容 C3= C4 上积堆的电荷泄放掉，避免电荷积累而影响滤波特性，L1 和 L2 由于两个线圈的磁通方向相同，经过藕合后 L 值也会相应增大，因而对共模干扰信号（非对称干扰电流）呈现较大的感抗，使之阻抗此类的信号通过，也保证了对电源电流的衰减甚微，而同时又抑制了电流噪声。通常 L1 与 L2 对称地绕在同一磁芯上，这样在正常工作电流范围内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁通饱和。但是对于不对称干扰（共模）信号来说，这两个线圈产生的磁场是相互加强的，对外呈现出总电感明显加大，于是，对称的干扰信号就被 L1、L2 和 C1~C4 大大地抑制了。
L1 、L2 与 C1~C4 组成的 EMI 滤波器，实际上是一种低通滤波器，由于电感对射频起阻流作用，而小电容近似于短路，因此 EMI 滤波器对射频干扰的抑制作用是不难理解的， 在滤波器阻抗与干扰源阻抗失配的情况下，能迫使干扰源产生的干扰信号沿干扰源进入的方向反射回去，从而有效抑制了干扰信号的影响，EMI 滤波器既抑制了来自电网的电磁干扰，同时对电子镇流器自身产生的电磁干扰也起衰减作用，以保证电网不受污染。
4 电子镇流器的 EMI 滤波器的改进与选择
在选择 EMI/RFI 滤波器元器件时，应保证使滤波器的谐振频率远远低于电子镇流器的工作频率，以防止磁饱和，失去正常电路作用。
有时为了进一步抑制对称或不对称的干扰信号，可以在交流电的输入电路中再插入电感 L3 与 L4，如图 2 所示。L3 与 L4 的插入能够限制 C2 充电电流的干扰信号，经实验测试干扰波能将电磁干扰衰减约 40dBV~70dBV，进一步降低射频干扰，效果也得到明显改善。
必须指出的是，传统的滤波器设计方法并不适用于 EMI 滤波器。EMI 滤波器要求有尽可能宽的阻带和失配工作条件，除工频外，其它频率都可视为有害的干扰频率，无论 EMI 滤波器输入端连接的电源（公共电网）阻抗或输出端的负载阻抗怎么随机变化，都要求滤波器有足够高的插入损耗。EMI 滤波器的插入损耗（I*L）定义是没有滤波器时，干扰电压在负载上的电压V1与插入滤波器后，干扰电压在负载上的电压 V2 之比，即 AdB=I*L=20log（V1/V2），用分贝表示，分贝值愈高，说明抑制噪声干扰的能力愈强。而经典的滤波衰减定义是电压转移比，即滤波器输入端电压 V1 与滤波器输出端负载电压 V1' 之比，显然 V1≠V1'，所以经典的滤波器设计方法并不适用于 EMI 滤波器。
我国加入 WTO 后，与世界经济接轨，所有的电子、电力产品的都须达到电磁兼容 EMC 的标准才能进入国际市场，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（EMI）和电磁兼容性问题变成了主要问题，电路设计对设计师的技术水准要求也越来越高。先进的计算机辅助设计（CAD）在电子线路设计方面很大程度地拓宽了电路设计师的工作能力，但对于电磁兼容设计帮助却很有限。所以，一些电子产品在设计中必须采用一些适当的抗电磁干扰的 EMI 元器件，这里主要是介绍一部份电子镇流器电磁干扰（EMI）滤波器。
2 EMI的概述及传播方式
大家都知道，EMI 的英文 Electro Magnetic Interference 的简称，译为电磁干扰，是由于电磁波造成电子设备，含计算机与家用电器，传输通道或电网系统性能降低的一种电磁现象，我们经常说的射频干扰（RFI），实际上也从属于 EMI。它严重影响及破坏电子设备的正常工作，同时也威胁人类的人身健康，在各国组织中陆续制定了一些对电子产品电磁干扰的标准和措施，来对其进行限制。
EMI 干扰的来源，既有外界的，也有内部的；有人为设计的，也有非人为的各种因数，事实上，各种机器、电子设备都可以看作是外部的 EMI 的来源，除了像无线电和电视广播那样发射设备、手机及无绳电话、雷达和 GPS 导航系统等通讯设备，还有家用电器的产品、计算机办公自动化设备、荧光灯电力线，电子测量仪器和机动车辆均可视为 EMI 的发射源。所以这类干扰无处不在，简直是数不胜数，除人为的各种因素外，还有自然中闪电、宇宙噪音、太阳光幅射统统都属于自然干扰源。所以电磁干扰严重影响电设备的正常运行，甚至会使电元器件发生永久的破坏，因而必须采取措施，以对其给予充分抑制。
EMI 干扰有两种传播方式：即传导干扰与辐射干扰，传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电电介质，如数据线或公共地线互相产生干扰，也可以这样理解：是指透过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络；而辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过磁场或电场耦合以干扰信号传播途径给另一个电网或电子设备。
传导的干扰又分为共模（CM）干扰和差模（DM）干扰两种：
差模干扰是指在系统两电源线火线与零线之间产生干扰电压噪声，与地线无关，差模电流是从一电源线流出，而从另一电源线返回；共模干扰（非对称模式）是每条电源线与大地间产生的干扰电压噪声，共模电流从干扰源通过分布电容接入地，沿地线传播，再经每条电源线返回，一般 f<30MHz 为传导噪声干扰，f>30MHz 为辐射噪声干扰。
3 电子镇流器的 EMI 方法与滤波电路特性
目前抑制 EMI 的技术措施有很多，大部份采用屏蔽、接地（浮地，单点接地与接地网）、滤波等，其中 EMI 滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的方法，由于各种干扰设备在系统接口处最为严重，所以 EMI 滤波器均插入到系统或电源输入端的接口处。电子荧光灯镇流器输入电路的 EMI 的滤波器有 C（纯电容）、L 型（一个电感，一个电容）、T 型（两个电感，一个电容），ñ 型（一个电感，二个电容），双 n 型（对称绕于同一个磁芯的两个电感与两只电容）等。对于大功率电子镇流器，其输入电路的 EMI 滤波器大多采用双 ñ 型滤波器为基础的复合式型电路结构，目前被广泛采用的 EMI 滤波器电路如图 1 所示。
在图 1 中，L1 与 L、C 与 C 组成 EMI 滤波器，用于差模与共模方式的 EMI/RFI 的抑制，在元器组件数值上都是对称相等，L1= L2 、C1= C2 、C3= C4，其中 R 为泄放电阻，可将电容 C3= C4 上积堆的电荷泄放掉，避免电荷积累而影响滤波特性，L1 和 L2 由于两个线圈的磁通方向相同，经过藕合后 L 值也会相应增大，因而对共模干扰信号（非对称干扰电流）呈现较大的感抗，使之阻抗此类的信号通过，也保证了对电源电流的衰减甚微，而同时又抑制了电流噪声。通常 L1 与 L2 对称地绕在同一磁芯上，这样在正常工作电流范围内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁通饱和。但是对于不对称干扰（共模）信号来说，这两个线圈产生的磁场是相互加强的，对外呈现出总电感明显加大，于是，对称的干扰信号就被 L1、L2 和 C1~C4 大大地抑制了。
L1 、L2 与 C1~C4 组成的 EMI 滤波器，实际上是一种低通滤波器，由于电感对射频起阻流作用，而小电容近似于短路，因此 EMI 滤波器对射频干扰的抑制作用是不难理解的， 在滤波器阻抗与干扰源阻抗失配的情况下，能迫使干扰源产生的干扰信号沿干扰源进入的方向反射回去，从而有效抑制了干扰信号的影响，EMI 滤波器既抑制了来自电网的电磁干扰，同时对电子镇流器自身产生的电磁干扰也起衰减作用，以保证电网不受污染。
4 电子镇流器的 EMI 滤波器的改进与选择
在选择 EMI/RFI 滤波器元器件时，应保证使滤波器的谐振频率远远低于电子镇流器的工作频率，以防止磁饱和，失去正常电路作用。
有时为了进一步抑制对称或不对称的干扰信号，可以在交流电的输入电路中再插入电感 L3 与 L4，如图 2 所示。L3 与 L4 的插入能够限制 C2 充电电流的干扰信号，经实验测试干扰波能将电磁干扰衰减约 40dBV~70dBV，进一步降低射频干扰，效果也得到明显改善。
必须指出的是，传统的滤波器设计方法并不适用于 EMI 滤波器。EMI 滤波器要求有尽可能宽的阻带和失配工作条件，除工频外，其它频率都可视为有害的干扰频率，无论 EMI 滤波器输入端连接的电源（公共电网）阻抗或输出端的负载阻抗怎么随机变化，都要求滤波器有足够高的插入损耗。EMI 滤波器的插入损耗（I*L）定义是没有滤波器时，干扰电压在负载上的电压V1与插入滤波器后，干扰电压在负载上的电压 V2 之比，即 AdB=I*L=20log（V1/V2），用分贝表示，分贝值愈高，说明抑制噪声干扰的能力愈强。而经典的滤波衰减定义是电压转移比，即滤波器输入端电压 V1 与滤波器输出端负载电压 V1' 之比，显然 V1≠V1'，所以经典的滤波器设计方法并不适用于 EMI 滤波器。
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