摘要：传导性电磁骚扰是经由电源导线来传递噪声的，连接在同一电网的电子电气装置所产生的电磁骚扰会经由电源线而彼此相互干扰，为滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时也起到减少电源本身对外界的电磁兼容干扰，通常在设备与电源之间加装电源滤波器来加以防治。在进行电源滤波器结构和参数设计过程中，如果采取尝试－纠错－再尝试的方法来解决电磁噪声问题，其结果是耗费很多时间精力和增加不必要的元件导致成本提高。在研究滤波器原理的基础上，按照正向设计方法，探讨了测量原始噪声并对差、共模噪声分离，采用6dB余量满足限值曲线并计算滤波器元件参数值，按步骤进行设计，最终的试验结果验证了所提设计得到的电源滤波器可以有效抑制电磁骚扰，而且这种电源滤波器结构简单，通用性好，差共模滤波融和一体，所需额外加入的元件较少。

　　关键词：插入损耗，共模骚扰，差模骚扰，电源滤波器

　　0引言

　　随着现代科学技术的飞速发展，电子、电气设备应用越来越广泛，在提高社会生产力，改善人们生活、工作、学习方式的同时，也带来了电磁污染。电磁污染按照传播途径可分为辐射干扰和传导干扰，在传导干扰中，以电源线传导干扰最为严重，大量用电设备普及，电网骚扰时有发生，即使有良好接地和屏蔽不能提供完整的电磁干扰防护，是由于电路的电源线路会传导干扰信号。而电源滤波器是近年来被推广应用的一种新型组合器件，它在抑制电源接口的传导干扰方面是极有效的器件，可以将由设备产生影响电源或其他设备的噪声降低到标准允许值以下，也可将通过电源进入设备的噪声降低到不会使设备出现异常动作的程度。

　　多年来已有许多学者对滤波器进行研究，提出了电源滤波器设计方法[1-2]。相比于以往利用二端口网络理论，用复变函数、复杂的矩阵的数学方法在电源滤波器中进行设计应用。本文分离了差共模噪声，测量了差共模衰减曲线，根据衰减曲线来确定转折频率，滤波器阶数，通过分析滤波器的等效电路，考虑电容电感体积等实际因素影响，确定了滤波器中的元件参数。同时考虑了电源和负载阻抗拓扑结构及元件高频分布参数效应，为电源滤波器设计使用提供了参考。

　　1工作原理

　　滤波器[3]用来限制接收信号的频带以抑制无用的干扰，而不影响有用信号，即可提高接收器信噪比，切断干扰沿电源线传播的路径，允许50/60 Hz工频通过，而对其他频率成分则加以抑制。达到抑制干扰的目的，分离信号，剔除干扰，显著减小传导干扰电平。可以分为低通、高通、带通和带阻4种滤波器。还可按照是否有电源来分为有源和无源滤波器。在使用电源滤波器时，一方面只有市电没经过电源转化，同时有源滤波器本身也是干扰发生源，由于非线性作用，会产生新的干扰频率，因而电源滤波使用无源滤波器。按滤波器功能来分，可以分为反射滤波器和吸收滤波器。电源滤波都是反射滤波器，利用阻抗不匹配原理，在滤波器两端形成反射越不匹配滤波效果越好。典型应用在信号接口中的磁珠是耗能的吸收滤波器，磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，把高频能量转换成热能，进而消耗掉。

　　电源滤波器的主要电气参数有截止频率：一般定义幅度衰减到通带内最大衰减极限下3dB处的频率。电流额定值指最大持续工作电流，通常电源滤波器中用的L、图2分离后的差模噪声C元件需要具有大的无功功率，保证不影响产品的正常工作，同时当负载电流较大时，电感元件不能发生饱和导致滤波器性能下降。耐压是由于电源滤波器安装在交流电网的输入端，所以除了承受产品产生的尖峰脉冲干扰电压外，还要承受来自电网的浪涌电压（电流），滤波器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。

　　2滤波器基本设计步骤

　　滤波器[4-5]的设计应用要掌握和按照以下步骤，可以事半功倍，效率倍增：首先要测量原始噪声；对噪声进行差、共模噪声分离；确定所需的插入损耗；按照阻抗适配原则确定滤波器拓扑；设计滤波器参数；考虑滤波元件分布参数、近场耦合。滤波器的设计应用既涉及理论知识，也需要丰富的实践经验，两者相结合才能解决电源滤波器方面的问题。

　　2.1测量原始噪声

　　一般先测量产品的原始噪声[6-7],即电源接口没有任何滤波器的时候的噪声大小。因为没有加任何滤波器，要注意原始总噪声较高，如果用接收机去测量，可能超过量程范围。那就要最好要串联一个衰减器，保护接收设备。图1所示为某机电产品原始噪声电源端子骚扰电压。

　　2.2差、共模噪声分离

　　共模噪声[8]是从交流输入线流入大地的干扰电流，差模噪声[9]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。

　　判断差、共模噪声需要一个特殊的辅助工具，这就是“差共模分离器”。差共模分离器是一种能够将传导发射中的差模成分与共模成分分别测量的设备。如图2~3所示。

　　交流电源输人线上存在以上两种干扰，通常为500 kHz以内以差模干扰为主，500 kHz~5 MHz差模共模混合，5~30 MHz以共模干扰为主，采用抑制共模的方法。

　　在一般情况下，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。

　　2.3插入损耗

　　衡量一个滤波器往往用的是插入损耗[10]的这样一个概念。首先将信号源与测量仪表直接连通，测量到一个电压V1,然后在滤波器的两根输入线之间施加信号源，在滤波器的两根输出线之间测量电压，得到电压V2。V1与V2的比值就是差模插损，一般用dB表示，进行对数计算即可。插入损耗越大表示这个滤波器的滤波效果越好。

　　图2~3已经通过差、共模分离得到不同噪声的包络线，把限值减去包络线再减去6dB余量就是所需要的如图4插入损耗值。6 dB的主要目的是考虑当共模噪声和差模噪声被衰减至标准限值时，有可能发生相位相同或相位相差180°而使得火线和中性线之总电压噪声大小超过限值的情况。为了避免这种情形发生，在计算衰减量时可设置于比限值低6dB之处，亦即使噪声抑制的要求更为严格。如图5~6所示，图中斜线用来估算滤波器阶数。

　　2.4滤波器拓扑

　　下一步就是确定滤波器的拓扑结构[10]。滤波器由电感、电容等电抗元件或它们的组合网络组成，滤波器的拓扑结构有C、L、Γ、T、π等形式，如图7所示。

　　信号处理中用的滤波器，通常总是按阻抗完全匹配状态设计的，可以保证得到预想的滤波特性。在EMC设计中，因为是信号源是噪声，滤波器就需要在失配状态下运行，这个原则叫做阻抗失配原则。滤波器的拓扑结构与噪声源的内阻有关，也和LISN（人工电源网络）的阻抗有关。LISN是标准设备，差模是100Ω,对共模是25Ω。关键是噪声源内阻的性质，如果是高阻（感性）的，那么失配的阻抗是低阻（容性）；如果是低阻（容性），失配的阻抗是高阻（感性），这就需要符合阻抗失配原则。

　　2.5滤波器参数

　　图8所示为通用电源滤波器结构，其中的元件包含了共模电感LC,差模电感LD,X电容(C X1、C X2),Y电容(C Y)。X电容是装在L、N之间，一般是选用高容值的金属化聚丙烯薄膜作为电介质，容值由0.1~1μF,防止差模干扰，差模干扰大时，可增加其值进行抑制；Y电容是装在L-G、N-G之间的电容，通常以成对、相等的容值对称出现在滤波器上，基于漏电流的限制Y电容不能选用太大，其大小必须要符合安规（泄漏电流）的限制，防止共模干扰。共模干扰大时，可增加其值进行抑制。L C为共模电感，同方向绕在一个铁心上，这种铁心一般采用高μ值磁感系数，典型值是mH级别，对差模而言相互抵消，不易饱和，对共模磁通会加倍。一般来说，共模电感均有漏电感，差模电感LD大部分都是用共模电感LC里面的分布漏电感，典型值在数十μH~几百μH之间。

　　将差、共模噪声分离后所得的共模和差模所需衰减量依其对应于频率的关系分别画在半对数纸上。横轴单位为Hz,纵轴单位为dBμV,如图5~6斜线所示。衰减曲线完全位于所需要的滤波器插入损耗斜线的下方，使得滤波器插入损耗抑制噪声限值以下。

　　根据这条插入损耗的斜率，决定滤波器的阶数，电路中滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。二阶滤波器衰减40 dB/10倍频程，三阶滤波器衰减60 dB/10倍频程[11]。从图8可以得到图9~10的等效电路。

　　对于差模噪声，在对数图中作一条斜率为+40 dB/dec之斜线（图11),将此斜线由规范之最低频率平行往右移动，使其与CM衰减曲线相切于一点，此时该斜线会与横轴相交于一点，此交点所对应之频率即为差模低通滤波器之转折频率fCDM。

　　设在某个频点f0处所要求达到的插入损耗为FIL0,用符号FIL表示滤波器在高频段的倍频程衰减，n为滤波器阶数，有FIL=n×20 dB/10倍频。定义倍频次数为X图5所示差模噪声的最小频率点(150 kHz以后）处的插入损耗为42 dB,三阶差模EMI滤波器的转折频率fCDM=29.9 kHz,令CX1=CX2=0.47μF,LDM=59.6μH。

　　同理可求得共模低通滤波器的转折频率fCCM。

　　图6所示共模噪声的最小频率点(150 kHz以上）处的插入损耗为12 dB,二阶差模EMI滤波器的转折频率fCCM=75.2 kHz,根据前面分析，Y电容不能选用太大，漏电流Ileak=2τfc U一般小于1.0 mA,其中f为电网频率，取值50 Hz,如果市电U=110 V,令CY=2.2 nF,LCM=1 mH。

　　一般来说，电感值L和电容值C都为未知数，两者成反比例关系。考虑电容值对体积的变化率较电感值来得小，而且市场上的电容都有固定的容值，优先考虑先确定电容值后推算所需要的电感值[12]。

　　2.6滤波元件分布参数和近场耦合

　　设计完滤波器参数，在实际使用时还要考虑到元件在高频时的分布参数，因为电容、电感非理想器件，在低频时分布参数影响不大，在高频时器件的分布参数会使阻抗发生变化，进而引起差入损耗发生改变，可持续衰减噪声的频率范围变窄。如图12~13所示。当希望除去噪声频率范围宽时，有效方法是将不同感量电感串联、不同容量电容并联。

　　被测产品内部在进行滤波器的元器件布置时，也要考虑漏磁场，漏电场的影响。要避免在共模电感上下两绕组开口处放置敏感器件，此两处漏磁场密度最高，强度最大[13]。两级共模滤波的电感之间，距离较近，则两个电感之间就会产生电场和磁场的近场耦合，从而降低滤波器的滤波效果。使用时还要注意输入输出隔离，防止滤波过的导线部分再次受到污染[14]。

　　3验证与结果分析

　　某机电产品带电刷的电动机，由于电刷切换时，电动机线圈中的电流不能突变，当一组线圈通电断开时，会在该线圈两端产生较高的反电动势，这个电动势会在附近回路中产生放电现象，放电产生的瞬态电流具有较陡的上升沿，作为电磁噪声的一个源头，这种噪声在幅度和频率上有很大随机性，表现在图1中宽带噪声，该噪声信号所含能量的频率范围要大于接收机扫频中频带宽，包络曲线呈连续和幅度随机特性，而窄带骚扰会呈现尖峰和谐波特性。用不同检波方式如图1中蓝色峰值检波和绿色平均值检波也是有一定差值，进一步说明脉冲的非周期性。该随机噪声耦合到电源线上就会产生传导骚扰，耦合到电机或未接地的金属物体时就会产生高频辐射骚扰。

　　传导骚扰没有进行滤波设计时，图1中3段限值包括低频150~500 kHz中频500 kHz~5 MHz以及高频5~30 MHz中低频超标严重，高频也有部分尖峰超标，说明电源接口如果未采取有效措施或进行差模共模滤波设计，其骚扰一般都是超标的。C X1、C X2和LDM可以滤除中低频差模噪声，L CM滤除中频共模噪声，高频时，由于寄生电容的存在，L CM对共模噪声的抑制作用已经较小，主要依靠C Y滤除高频共模噪声。测试超标时需要根据相应频段进行有针对性改进，改进问题需要了解器件特性，电容、电感、共模电感具体有效滤波频段。同时要注意滤波器件如差共模电容的引线长度，电容的引线很长会带来电感效应，起不了高频滤波作用。还可以看到，由于引入该电源滤波器，图14比没有电源滤波器（图1)从高频3 MHz开始带入更多尖峰，这是由于分立元件组成的多阶滤波器高频谐振的结果。

　　4结束语

　　滤波器是抑制电源接口差共模骚扰的有效器件。要选好和使用好滤波器，改变盲目去试错或穷举法积累经验的状况，充分分析和了解滤波器性能和特点，以便可以正确理解和运用滤波器设计。因此本文所做工作对于电源滤波器的研究和应用具有一定参考价值。但是，还有许多其他的细节可供研究者们探讨，例如阻抗失配原则首先要对电磁噪声源阻抗进行识别和测量，受近场耦合多种因素影响，现有技术难以测量源阻抗从而造成设计与实际效果有出入，需要通过几次实验慢慢缩小范围，找到问题原因和滤波器合适的参数，所以还需对电源滤波器进行进一步研究以解决其在实际应用中面临的挑战。

　　4结束语

　　(1)创建制动盘的单次制动温升和连续10次制动温升的有限元瞬态热仿真分析模型，将制动盘的结构参数作为制动盘温升优化分析的设计变量，建立的制动盘温升响应面分析模型精度较高，其决定系数R2均接近于1。

　　(2)采用遗传算法对制动盘温升分析的响应面模型进行优化，获得了满足温升为约束条件、质量最小为目标的最佳制动盘结构，其中优化后的制动盘单次制动温升为93.4℃,连续10次制动温升为375.9℃,同时制动盘优化后的质量减轻了约16.31%,具有显著轻量化效果。

　　(3)优化后的制动盘分别基于响应面分析模型和有限元瞬态热仿真分析模型计算得到的制动盘质量、单次制动结束时的温度、第10次循环制动结束时的温度结果的误差分别为1.05%、0.48%、0.32%,误差值均在可接受范围内。

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