黃兆軍

（珠海格力電器股份有限公司標準管理部 廣東珠海 519070）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，空調(diào)器的普及率也越來越高。然而隨著空調(diào)器逐步走進尋常百姓的同時，我們也要清醒的認識到，由于各種電器設備的迅速發(fā)展與應用，我們的電磁環(huán)境也越來越惡劣，這就對空調(diào)器的可靠性提出了更高的要求。世界許多國家都高度重視家用電器的電磁兼容性問題，都相應的制定了嚴格規(guī)范的標準。因此，各空調(diào)器廠家都十分重視在空調(diào)器設計中優(yōu)化電磁兼容設計，提高其抗干擾能力，從而使自己的產(chǎn)品滿足相應市場中的電磁兼容標準要求，快速低成本的取得相關認證，順利進入目標市場。

其實供電網(wǎng)絡中就存在著很多EMI(電磁干擾)信號，而空調(diào)器本身在整個工作過程中也會產(chǎn)生電磁干擾信號。因此，怎樣有效避免經(jīng)電源端傳入到空調(diào)器的EMI信號，保證空調(diào)器的可靠運行。同時，又能有效的控制空調(diào)器本身產(chǎn)生的EMI信號進入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，成為空調(diào)器設計中首先要重點考慮的問題。電源濾波器的選用就能很好的解決這個問題，本文正是從空調(diào)器電容兼容性的角度，對其在工作原理、選型、安裝應用等方面進行了細致的介紹。

1 工作原理

圖1所示為電源濾波器的基本內(nèi)部結(jié)構圖，它是由集中參數(shù)元件所組成的無源網(wǎng)絡，虛線框表示濾波器的金屬屏蔽外殼。

這個簡單的電源濾波器僅由兩只電感L1和L2，三只電容器Cy1、Cy2和Cx組成。如果把這個電源濾波器插入到空調(diào)器供電電源入口處，即把濾波器的（電源）端接到電源進線，濾波器的（負載） 端接被干擾設備。這樣L1和CY1、L2和CY2分別構成L-E 和N-E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制供電系統(tǒng)存在的共模EMI信號，使之無法進入設備。其中，L1和L2的電感量是不相等的。于是L1和L2之差便是差模電感，它和CX又組成L-N 獨立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源上存在的差模EMI信號。從而實現(xiàn)對供電系統(tǒng)EMI信號的抑制，保護供電系統(tǒng)內(nèi)的設備不受其影響。

由于該電路是無源網(wǎng)絡，它具有互易性。當電源EMI 濾波器安裝在設備的電源入口處后，它既能有效地抑制供電系統(tǒng)存在的EMI 信號（即空調(diào)器外部的EMI 信號）傳入設備，又能大大衰減設備本身工作時產(chǎn)生的EMI 信號傳向供電系統(tǒng)，防止電磁環(huán)境被污染。所以雖然是這樣一個簡單的網(wǎng)絡，卻同時具有多種功能，對實現(xiàn)設備和系統(tǒng)的電磁兼容性起了重要的作用，因此應用非常普遍。

2 電源濾波器的設計與選型應用

2.1 應用環(huán)境溫度要求

上限類別溫度一般選擇：70℃，85℃，100℃，125℃。推薦值為125℃。

下限類別溫度一般選擇：-55℃，-40℃，-25℃，-10℃。推薦值為-55℃。

2.2 額定溫度

額定溫度一般不應低于40℃。

2.3 額定電壓

額定電壓的優(yōu)先值推薦：

交流濾波器：50V、125V、250V、380V、440V、480V。

直流濾波器：50V、160V、250V、500V。

2.4 額定電流

選擇濾波器的額定電流時必須充分考慮額定電壓和環(huán)境溫度。每種濾波器都有一個相應的“額定電流與工作溫度的關系曲線”，產(chǎn)品設計選型時要根據(jù)濾波器所使用的最惡劣的環(huán)境溫度通過關系曲線來選取合適的額定電流，并留有一定的安全余量，以確保長時間工作的穩(wěn)定可靠。

選取額定電流時還要考慮電源頻率。一般情況下電源頻率升高，額定電流值會相應的降低。

2.5 漏電流

漏電流的大小涉及人身安全，各國的安全標準都有嚴格的規(guī)定，設計選型時應充分考慮不同國家的不同要求。

在確保濾波網(wǎng)絡與濾波器外殼間的絕緣措施都正確的前提下，漏電流的大小主要取決于濾波電容Cy的電容量。該電容容量過大時將造成漏電流過大，從而危及人身安全。電源EMI濾波器的漏電流與采用的濾波電容Cy的關系為：

Ig＝U×2πf×Cy

其中，U為電網(wǎng)電壓；f為電網(wǎng)頻率；Ig為允許的接地漏電流。

一般情況下，對低電壓（1000V以下）50Hz的交流電流而言，人體感知閾值電流0.5mA，擺脫閾平均值電流為10mA。以電源電壓220 V計算，忽略產(chǎn)品設計中并接在Cy電容兩端的電阻，若漏電流達到了人體能感應到的電流值0.5mA，則：

Cy＝Ig/（U×2πf）＝7200pF

考慮安全要求的限制，為提高傳導干擾抑制的效果而增加Cy的電容量，應限制在上述公式的計算值以下并保證足夠的余量。

2.6 插入損耗

由于電源濾波器接主電源線，因此在設計時除了要考慮源阻抗和負載阻抗不匹配的因素之外，還必須考慮其對串聯(lián)電感的電感量和并聯(lián)電容的電容量的嚴格限制。濾波器中所采用的串聯(lián)電感受到電源頻率下允許電壓降的限制，不能選擇太大；并聯(lián)的濾波電容受到允許接地漏電流的限制，也不能選擇太大。

設濾波器中串聯(lián)電感的電感量L，等效電阻為R，電網(wǎng)頻率為fm，電網(wǎng)電壓為Um，網(wǎng)側(cè)額定工作電流為Im?？紤]到電網(wǎng)中浪涌電流的影響，通常電感壓降被限制在額定工作電壓的10%以內(nèi)。若忽略R上電壓降，設允許電感上的最大壓降為△Umax，則允許的最大串接電感值為：

Lmax＝△Umax/2πfmIm

設允許的最大的接地漏電流為Igmax，則濾波器允許采用的濾波電容為：

Cymax＝Igmax/（Um×2πfm）

那么，如果考慮電源濾波器中串聯(lián)電感及并聯(lián)電容最大值的限制，可以得到LC乘積的最大值為：

那么，濾波器（單級）的最大插入損耗IL可以簡化為：

IL= 20lg（2πfm）2LCy

在保證濾波器安全、環(huán)境、機械和可靠性能滿足有關標準要求的前提下，盡量選用插入損耗高的濾波器。

2.7 EMI濾波器網(wǎng)絡結(jié)構的選擇

設電源的輸出阻抗和與之端接的濾波電路的輸入阻抗分別為Z0和Z1，根據(jù)信號傳輸理論，當Z0≠Z1時，在濾波器的輸入端口會發(fā)生發(fā)射，反射系數(shù)P＝（Z0-Z1）/（Z0+Z1）。顯然，Z0與Z1相差越大，P就越大，端口產(chǎn)生的反射也就越大，EMI信號就越難通過。所以濾波電路輸入端口應與電源輸出端口處于最大失配狀態(tài)，這樣才能得到有效的衰減效果和較好的插入損耗特性。

對于EMI信號，電感是高阻的，電容是低阻的，所以，電源EMI濾波電路與源或負載的端接應遵循下述原則：

如果電源內(nèi)阻或負載是阻性或感性的，與之端接的濾波電路接口就應該是容性的。如果源內(nèi)阻或負載是容性的，與之端接的濾波電路就應該是感性的。常見的網(wǎng)絡結(jié)構如圖2所示。

1）電容型（C型）濾波器

由三端電容和穿心電容構成，適合于抑制高頻。C型濾波器兩端均可視為低阻抗，

接高阻抗源和負載。

2）L型濾波器

由一個電感和一個電容組成。這種濾波電路可以提供高的輸入阻抗，也可以提供低的輸入阻抗，取決于電路的安裝方向。

3）π型濾波器

由一個電感和兩個電容構成。它的輸入端和輸入端都呈低阻抗性，抑制性能比C型或L型要好的多。但是在開關電路中有時會出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象。

4）T型濾波器

由兩個電感和一個電容組成，它的兩端都是高阻抗，其插入損耗性能和 型濾波器相似。但其不易出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象，可用在開關電路中。

5）雙T型濾波器

多級濾波器是為源和負載都為低阻抗的電路設計的高性能濾波器，它們也可以用在要求高插入損耗的其它情況。

實際設計中常用的典型濾波電路如圖3所示。

2.8 濾波元件的選擇

2.8.1 濾波電容

a)差模電容Cx接在交流電進線兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會疊加交

流進線之間存在的各種EMI峰值電壓，所以該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高，同時要求該電容器失效后，不能危及后面電路及人身安全。

Cx的取值范圍一般在0.1μF～2.0μF之間。在允許的情況下，容量要求越大越好。電容的耐壓值必須經(jīng)過雷擊浪涌試驗后取值，有殘壓，其瞬時值一般滿足在1000V/s時不損壞。

b）共模電容Cy接在交流電進線與機殼地之間，要求他們在電氣和機械性能上，應有

足夠大的安全余量，萬一它們發(fā)生擊穿短路，將使設備機殼帶上危險的交流電，如果設備的絕緣或接地保護失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對Cy電容器的容量要進行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求其應有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬一發(fā)生電壓擊穿，它應處于開路狀態(tài)，而不會使設備機殼帶電。

Cy的取值范圍一般在2200pF～7200pF之間。只要漏電流控制在小于1mA的條件下，容量要求越大越好，但是不能太大，太大則漏電流較大。電容的耐壓值必須經(jīng)過雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時值一般滿足在1000V/s時不損壞。

c）Cx電容和Cy電容可以通過較小的電容并聯(lián)來滿足容量的要求，這樣濾波電路的高頻特性好。

2.8.2 放電電阻

為保證傳導干擾抑制效果，常在Cx電容的后面增加一個放電電阻。一般情況下，電阻R 的取值為75kΩ～1MΩ之間，功率為2W～3W。

2.8.3 電感的取值

電感量的取值一般要考慮阻抗和頻率，具體取值從幾毫亨到幾十毫亨不等，隨額定工作電流不同而取不同的參數(shù)值。

2.8.4 壓敏電阻的選型

對于采用壓敏電阻的濾波器，其電路如圖4（參數(shù)僅為示意）。壓敏電阻的選型一般按下述原則：

(U1mA)min ≥(2.2～2.5)Uac

其中 (U1mA)min為最小壓敏電壓，Uac為交流回路額定電壓的有效值。

2.9 濾波電路的衰減特性

不同的濾波電路有著不同的濾波特性（如圖5所示）。一般情況下，C型電路的濾波衰減曲線較平坦，沒有明顯的拐點，適用于大多數(shù)電子設備；L型電路、π型電路和T型電路的濾波衰減曲線較C型電路拐點明顯，適用于抑制干擾信號與有用信號頻率接近的場合。但當工作頻率為方波時，要注意這些電路的感性和容性器件的量值要選取恰當，避免一味追求濾波衰減性能，而把有用信號的波形部分衰減，導致空調(diào)器工作反而不正常。

3 濾波器的安裝及布線要求

a)電源濾波器應僅可能安裝在靠近空調(diào)器的電源入口處，并對濾波器加以屏蔽。

b)電器部件（如信號燈）或電磁開關（如交流接觸器）等干擾源應與其電源濾波器安

裝在同一屏蔽箱體內(nèi)，電源輸入線不應在箱體內(nèi)裸露。

c)濾波器中電源引線應盡可能短，以避免感抗與容抗在低頻率上發(fā)生諧振，電容應與

其它元件正交安裝，減小相互間耦合。

d)濾波器的接地導線上有很大的短路電流流過，會造成有害電磁輻射，因此濾波器抑

制元件自身要進行良好的電磁屏蔽和接地處理。

e）濾波器的輸入和輸出引線不能交叉，在輸入引線和輸出引線之間應該有屏蔽層，否

則會降低濾波器的濾波特性。

f）濾波器最好不要安裝在塑料板或金屬支架上，而且要盡量避免使用長接地線。因為

過長的接地線意味著大大增加接地電感和電阻，它會嚴重破壞濾波器的共模抑制能力。較好的方法是，用金屬螺釘與星形彈簧墊圈把濾波器的屏蔽牢牢的固定在設備電源入口處的機殼上。

4 小結(jié)

本文從優(yōu)化空調(diào)器的電磁兼容性的角度對電源濾波器的工作原理、設計與選型應用、安裝等要求做了介紹，其中部分推薦參數(shù)也是筆者在設計過程的個人經(jīng)驗和參考了部分行業(yè)專家的研究成果，希望能夠為空調(diào)器的設計者提供參考。

[1]Underwriters Laboratories Inc.。UL 1283 Electromagnetic Interference Filers ,2009

[2]唐智，沈玉琢。電源濾波器設計與使用原則分析，城市軌道交通研究，2004年06期

[3]沈光福。電源EMI濾波器的選用與安裝，航空精密制造技術，1991年06期