电磁兼容滤波器培训教材_电磁兼容培训教材

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埃德电磁

上海埃德电磁技术有限公司电磁兼容/滤波器知识培训

第一部分

电磁兼容基础知识

1.1 电磁兼容的定义

Electromagnetic Compatibility—EMC，作为一门学科来说，译为“电磁兼容”，而对于设备或系统的性能指标来说，应译为“电磁兼容性”。按IEC的定义：电磁兼容是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功能，且不至于在其环境中产生不允许的干扰。1.2 电磁兼容的理论基础和实用领域

电磁兼容学科包含的内容十分广泛，实用性很强。电磁兼容学科涉及的理论基础包括数学、电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通信理论、材料科学等，所涉及实用领域包括电力、通信、电源、交通、航空航天、计算机、医疗、电子仪器设备、家用电器等，所以说电磁兼容学科是一门尖端的综合性学科，同时又与现代工业和质量控制紧密相联。1.3 电磁环境的发展

在人类尚未使用电能以前，地球上就存在自然界产生的电磁现象，如雷电、宇宙射线等。1866年，第一台发电机发明，从此利用电能工作的电气设备越来越多。1889年，赫兹首创了天线，并第一次将电磁波辐射到自由空间，同时又成功的接收到电磁波，用试验证明了电磁波的存在。进入20世纪，随着科学技术的发展，大量技术含量高、内部结构复杂的电工电子产品得到广泛应用。60年代以来，随着通信、广播等无线电事业的发展，以及电子元件集成技术的飞速发展，电磁环境急剧复杂。人类在享受高科技带来的便利的同时，也带来了电磁 1 AERODEV

埃德电磁 环境不断恶化的后果，对电工电子产品的安全与可靠性产生了很大的影响和危害。由于电磁干扰导致电子产品性能下降甚至无法正常工作的现象时有发生，严重的可造成质量事故、设备损坏以及其他事故。因此，保护电磁环境，防止杂散电磁波的干扰已经引起世界各国和相关国际组织的普遍关注。1.4 电磁干扰的危害

电磁辐射能量对人类活动有三大危害：一是破坏或降低电子设备的工作性能。如电磁干扰中的尖峰电压常使晶体管发射极和集电极击穿和烧穿短路。晶体管在射频电磁波照射下，还能吸收足够的能量使结温升高，造成二次击穿。电磁波通过电爆装置的控制线路，感应耦合形成干扰电流可引爆。另电磁波还会影响设备工作的精度，甚至引起设备的误动作。二是引起危险品的爆发，造成人身伤亡与经济损失。这主要是指直接照射、电火花点燃和静电放电引起的燃油事故。三是对人体健康的危害。电磁辐射对人体的危害表现为热效应和非热效应两方面。电磁辐射通过对细胞加热增加血液的流通和发热，并使外部神经末梢受到热刺激作用而产生病理、生理和神经反应称为热效应。如眼睛的晶状体由于含有较多水分，但血管少，不易带走热量，在1-3G的射频照射下，容易出现水肿，使晶体浑浊形成白内障，甚至是失明。在微波辐射作用下，睾丸会由于发热升温而引起暂时或永久性不育症。其他如大脑、皮肤和血液也是对电磁辐射比较敏感的人体器官和组织。在适当频率和强度的磁场中，血液特征的微小变化、染色体结构的异变、蛋白质分子运动、定位和极化，称为非热效应，其作用机理目前尚未完全了解，但确实存在危害。1.5 电磁兼容技术的发展

1881年英国科学家希维赛得发表“论干扰”一文，标志着研究干扰问题的 2 AERODEV

埃德电磁 开端。1889年英国邮电部门研究通信中的干扰问题，使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。进入20世纪，由于电子电气技术的发展和应用，特别是随着通信、广播等无线电事业的发展，使人们认识到有必要对各种电磁干扰进行抑制，特别是发达国家格外重视控制干扰，并成立了国家级和国际间的组织，如VDE、IEC、CISPR等。40年代，首次提出了电磁兼容（EMC）的概念，使电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐步发展成为理论上、技术上全面控制用电设备在其电磁环境中正常工作能力保证的系统工程。在这一阶段，电磁兼容学科得到较快发展。在阐述电磁干扰产生的原因、分清干扰的性质、研究干扰传输及耦合的机理、提出抑制电磁干扰的措施、制定电磁兼容标准和规范、建立电磁兼容试验和测量体系等方面，取得了大量的成果。1944年，VDE制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878。70年代以来，电磁兼容技术逐渐成为非常活跃的学科领域之一，较大规模的国际性电磁兼容学术会议每年都召开一次。其间，电磁兼容的专业杂志、系统性的论著、电磁兼容手册不断推出，广泛应用于工程设计。到80年代，发达国家在电磁兼容研究和应用方面达到了很高的水平，主要成果为电磁兼容标准和规范、分析设计和预测、试验测量、开发屏蔽导电材料、培训教育和管理。90年代，电磁兼容性工程已经从事后检测处理发展到预先分析评估、预先检验、预先设计。电磁兼容认证达标已经由一个国家范围发展到一个地区或一个贸易联盟统一采取的行动。如欧共体12国和欧洲贸易联盟的北欧6国，从1996年1月1日开始，宣布实行电磁兼容许可证制度，使得电磁兼容认证与安全认证处于同等重要的地位。可以预见，在21世纪，电磁兼容学科将获得更加迅速的发展，将得到全人类的重视。AERODEV

埃德电磁 1.6 国际电磁兼容标准现状

随着电工技术和电力电子技术在各行业、各领域中的广泛应用，以及对电磁环境要求的日益提高，电磁兼容已经成为一个在国际上被普遍关注的问题。研究电磁兼容技术的国际组织很多，如国际大电网会议CIGRE、国际供电会议CIRDE、电子电气工程师会议IEEE、国际电工委员会IEC、国际发供电联盟UNIDEDE、国际电报电话咨询委员会CCITT、国际无线电通讯咨询委员会CCIR、国际通讯联盟ITU、国际电热联盟UIE等，而从事国际电磁兼容标准工作的有国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC。

在IEC中，专门从事电磁兼容标准化工作的主要是第77技术委员会TC77和国际无线电干扰特别委员会CISPR。其中CISPR最初关心的主要是广播接收频段的无线电干扰问题，近年又涉及信息技术、工、科、医、高压架空线路和高压设备之间的电磁兼容，工作频率多在9KHz到18GHz，相应也开展一些抗扰度标准研究。CISPR的标准名称是“出版物（Publication）”，目前已经出版的从CISPR11到CISPR24。而TC77最初关心低压电网系统的EMC标准，工作频率多在9KHz以下，近两年扩展到整个EMC所涉及的产品。IEC的标准称为“国际标准（International Standard）。需重点指出的是，IEC出版的IEC61000系列标准（原IEC1000和IEC801系列），是近年来IEC出版的所包含内容最为丰富的一个系列出版物。截止1997年2月止，已出版的国际标准、技术报告共计30篇，正在讨论或将要出版的共有23篇，还有若干篇正在准备之中。IEC61000系列包括总论、环境、限值、试验和测量技术、安装和调试、通用标准、电能质量等，其中IEC61000-4是目前国际上比较完整和系统的抗扰性基础标准，对其他EMC标准的制订有着重大影响。其试验方法、试验等级和测量技 4 AERODEV

埃德电磁 术形成了评估电工、电子产品的抗干扰能力的产品质量认证的依据。1.7我国电磁兼容标准工作进展

八十年代以来，我国对电磁兼容标准化工作给予高度重视，在组织、标准制订、标准的实施监督等方面采取了一系列措施。1986年成立了全国无线电干扰标准化技术委员会（全国无干委），并先后对应IEC/CISPR建立了8个分会。到1996年底，我国已发布47个电磁兼容国家标准，其中32个强制，15个推荐。其中大部分等同等效采用国际标准，少部分非等效，个别标准是根据我国情况指定的。1994年，为全面规划和推进我国电磁兼容标准的制、修订工作，促进国内电磁兼容技术进步和改善电磁环境，在全国无干委和国内TC77归口工作基础上，及时成立了全国电磁兼容标准化联合工作组，全面规划了以IEC61000系列为主的电磁兼容标准体系和具体项目，目前正在制、修订的电磁兼容国家标准共有23项。我国电磁兼容国家标准工作的有效开展，对我国电磁兼容技术（标准）与国际接轨、电子电气产品质量的提高以及电磁兼容认证工作的开展创造了有利的环境。

1.8 电磁兼容认证现状

鉴于电磁干扰的危害性，从70年代开始，电磁兼容认证工作越来越引起重视。国际上研究电磁兼容技术与标准，基本上包括电磁干扰和抗扰度两大方面。前者要求电气电子设备产生的干扰不能超过某一电平，以使与其在同一电磁环境内的无线电、电信设备和其他一般电气电子设备都能按其本身的功能正常工作而不受干扰。而后者要求电气电子设备具有适当的抗干扰能力，使设备在复杂电磁环境下能依其本身的性能运行。电磁干扰和抗扰度是处理电磁现象矛盾的两个方面，必须双方采取措施，以求最佳保护环境和保证设备可正常可靠工作。因此，5 AERODEV

埃德电磁 相应的标准都应强制实行，开展认证工作。

目前，在大多数发达国家都已开展了电磁兼容认证工作，部分发展中国家也在着手建立本国的电磁兼容认证制度。在标准和认证领域，按区域划分较活跃的主要是欧洲、亚太和北美地区。其中欧共体作为主要的经贸区域，率先以欧共体指令（89/336/EEC）的形式规定所有电气电子产品除获电气安全认证外，同时还必须通过电磁兼容标准符合性检测，并据此获取“CE”标志，才能进入欧共体市场。另外美国FCC、德国VDE和TUV、日本VCCI在本国范围内也承担着相应的电磁兼容认证工作。

在我国，电磁兼容认证作为我国产品认证工作中计划开拓的新技术领域，在各有关部门的支持和专家门的共同努力下，近年有了明显进展。首先，在法规上，我国已形成产品认证的法规体系，全国人大、国务院和国家技术监督局已经颁布了若干法律和规章条例，使电磁兼容认证工作有法可依。第二，在标准制订上，我国已发布47个电磁兼容国家标准，其中32个为强制执行。可以说，从标准上我国已具有启动电磁兼容认证的条件。第三，在电磁兼容检测机构条件上，我国现在已有许多电磁兼容实验室，部分具有相当水平，并配备有先进的进口仪器和具有一定专业素质的技术人员，其中少量已经得到国际有关组织的认可。第四，在产品质量现状上，随着电磁兼容技术的逐步普及，我国电气电子产品大部分已经进行了电磁兼容设计，信息技术设备、电动工具、家用电器、照明电器等领域多年来也对产品进行了大量的检测工作。应该说，我国电气电子产品是具有一定电磁兼容基础的，电磁兼容认证的强制实行，是对我国电气电子产品质量的极大促进，有利于企业参于国际市场的竞争。同时，电磁兼容认证的强制实行，对提供电磁兼容产品和服务的企业来说，也是很好的市场开拓机会。AERODEV

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第二部分 滤波器基础知识

2.1 滤波器的定义

滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器。2.2滤波器的分类

现代电子设备中，广泛的用到各式各样的滤波器。从不同的角度，可将滤波器分为不同的类别。如：

（1）按滤波器对频率的选择性能来划分，可分为低通、高通、带通、带阻四种滤波器；

（2）按频段来分，可分为低频、高频、甚高频、超高频和微波滤波器；（3）按网络中是否含有能源来分，可分为有源和无源滤波器；

（4）按组成滤波器的元件特性来分，可分为LC滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、陶瓷滤波器、螺旋滤波器等。

（5）按滤波器的应用特点来分，可分为EMI滤波器和信号选择滤波器两大类。2.3 电源EMI滤波器简介

电源EMI滤波器是一种低通滤波器，它毫无衰减的把直流、50Hz或400Hz的电源功率传输到设备上，却能大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受危害。同时又能有效地防止设备本身产生的EMI信号进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。电源EMI滤波器是帮助电子设备和系统满足有关电磁兼容标准的有效手段。EMI是指电磁干扰，英文为Electromagnetic Interference.2.3 电源EMI滤波器主要技术参数（1）网络结构和元件参数AERODEV

埃德电磁 电源EMI滤波器的网络结构有很多种类，常用的有L型、型、型、T型等。不同型的网络结构还有对应于共模和差模的不同应用组合。以单相电源EMI滤波器为例，其基本网络结构如图所示。它是由集中参数元件构成的无源网络，最外面有金属屏蔽外壳。在该网络中，有电感L1和L2、电容Cx、Cy1和Cy2。电感L1和L2成为共模电感，其与电容Cy1和Cy2分别构成L-E和N-E两对独立端口的低通滤波器，用来抑制共模干扰信号。而电感L1和L2之差成为差模电感，其与电容Cx构成L-N独立端口的低通滤波器，用来抑制差模干扰信号。关于共模和差模干扰信号，我们将在插入损耗一节中详细介绍。

用户可根据滤波器的网络结构和元件参数，来选择合适阻抗的滤波器，使滤波器和设备之间实现失配端接，以得到滤波器的最佳应用效果。（2）插入损耗

当未接滤波器时，接收机测得信号源的输出电压为Ei。当把EMI滤波器插入到信号源和接收机之间后，在靠近滤波器输出端口处测得信号源的输出电压为Eo。如果信号源的输出阻抗等于接收机的输入阻抗，则EMI滤波器的插入损耗为：IL=20lg(E1/E2)，单位为dB。

在这里，我们首先要了解干扰信号的组成。EMI信号对电子设备的影响，如图所示。其中把相线（L）与地（E）和中线（N）与地（E）之间存在的EMI信号称为共模干扰信号（或不对称干扰信号），即附图1中的电压U1和U2。对L、N线而言，共模干扰信号可视为在L线和N线上传输的电位相等，相位相同的噪音信号。把L与N之间存在的干扰信号称为差模干扰信号（或对称干扰信号），即附图1中的电压U3。差模干扰信号可视为在L线和N线上有180度相位差的共模干扰信号。对任何电源线上的传导干扰信号，都可用共模和差模干扰信号来 8 AERODEV

埃德电磁 表示。

由于电源滤波器既能抑制共模干扰信号，又能抑制差模干扰信号，所以滤波器有共模插入损耗和差模插入损耗。在50系统内测试共模插入损耗和差模插入损耗的原理示于附图3。在测量共模插入损耗时，把滤波器电源端的L端和N端并在一起，信号源接在端子和E之间；滤波器负载端的L端和N端也并在一起，接收机接在端子和E之间，来测共模插入损耗（见（a）图）。在测量共模插入损耗时，也可把滤波器电源端的L端和N端中，一端与E端之间接测试系统负载阻抗（如50），另一端与E端之间接信号源；滤波器负载端的L端和N端中，也是一端与E端之间接测试系统负载阻抗（如50），另一端与E端之间接接收机，来测共模插入损耗（见（b）图）。在测量差模插入损耗时，分别在信号源端和接收机端采用1：1的宽频带隔离变压器。它的作用是断开EMI滤波器E端与信号源和接收机接地端的地回路，即进行不平衡—平衡，平衡—不平衡变换。把信号源接在滤波器的电源端L端和N端上，把接收机接在滤波器的负载端L端和N端上，来测量差模插入损耗。

关于EMI滤波器插入损耗的测试方法，参见CIPRI第17号出版物、MIL-STD-220A和GB7343。这些标准都规定，共模和差模插入损耗是在50-75间的某一阻值的系统内测量（绝大多数在50系统内测量）。因为滤波器共模两独立端口L-E、N-E和差模端口L-N的输入或输出阻抗不是纯电阻50，而是在很大范围内随频率变化的函数。有关标准中规定滤波器的插入损耗要在50-75间的某一阻值的系统内测量，是为用户选择滤波器提供一个统一的评价标准。但用户要知道，厂家给出的插入损耗测量数据与实际应用得到的插入损耗数据是不相同的，因为实际使用时滤波器端接的不是50纯电阻。AERODEV

埃德电磁（3）额定电压

额定电压是电源EMI滤波器用在指定频率的工作电压。如用在50Hz/60Hz单相电源的滤波器，其额定电压为250V。用在50Hz/60Hz三相电源的滤波器，其额定电压为440V。

用于250V/50Hz的单相电源EMI滤波器也能用在120V/60Hz和115V/400Hz的电源内，用于4400V/50Hz的单相电源EMI滤波器也能用在210V/60Hz和200V/400Hz的电源内。（4）额定电流

额定电流是在额定电压和指定温度条件下，电源EMI滤波器所允许的最大连续工作电流。指定温度条件，一般是指40C，而在其他温度下，滤波器的最大连续工作电流是环境温度的函数，其曲线可从相关文献中查到。但一般来说，滤波器的最大连续工作电流是环境温度的正比例函数。因此，要根据滤波器应用的最恶劣的环境温度来选择滤波器的额定电流值，并要留取一定的安全余量。另外，要注意电源EMI滤波器额定电流的电源频率。如滤波器用在250V/50Hz时的额定电流为6A，但用在115V/400Hz时，应降低滤波器的额定电流来使用。（5）泄漏电流

泄漏电流是指电源EMI滤波器，加载指定频率的额定电压后，断开滤波器的E端和电源安全地的连接，这时E端到电源任一端的电流。

如果滤波网络与滤波器外壳间的绝缘措施都正确无误，则泄漏电流的大小取决于Cy电容量。由于泄漏电流的大小涉及人身安全，因此各国的安全标准都有严格的规定。（6）试验电压AERODEV

埃德电磁 试验电压试验是在EMI滤波器的端子之间（线—线）或端子与地之间（线—地），在规定时间内施加规定电压，以此来检查滤波器相线间以及相-地见的安全性能要求。如果滤波器的各项绝缘措施都正确无误，试验电压主要取决于电容的安全性能。

试验电压也是滤波器的一项重要安全指标，因此各国的安全标准对试验方法、试验电压的频率和幅值、试验电压的持续时间等都有严格的规定。（7）绝缘电阻

绝缘电阻是测量滤波器的绝缘部分（一般为线—地），在加载规定的电压下，由于绝缘不理想产生漏电流而形成的电阻。它也是滤波器安全性能的一种度量方法。一般来说，有试验电压参数的EMI滤波器，不再提绝缘电阻指标，而是用试验电压来表征EMI滤波器的安全性能。（8）气候等级

气候等级指EMI滤波器的工作环境等级。按IEC规定，气候等级用三个数字来表示。其中，第一个数字表示EMI滤波器的最低工作温度，第二个数字表示EMI滤波器的最高工作温度，第三个数字表示滤波器在质量认定时选择稳态湿热试验的天数。

（9）其他技术参数

除了以上的主要技术参数，EMI滤波器还有其他一些技术参数，如： 尺寸、重量和安装方式； 可焊性； 引出端子强度； 抗振动性能；AERODEV

埃德电磁 抗碰撞性能； 放电特性； 直流电阻； 电压降； 功率损耗； 温升；

满负载时的滤波器外壳温度； 等等。

2.4 电源EMI滤波器的选用

选择电源EMI滤波器，首先要确保滤波器的额定参数与设备/系统想匹配，如额定电压、额定电流、气候等级等。其次是要保证滤波器的安全性能符合设备/系统的要求，如试验电压、泄漏电流、绝缘阻抗等。在保证额定参数和安全性能的前提下，应选取衰减性能尽可能好的滤波器，即选取插入损耗值高的滤波器。因为高的插入损耗意味着对EMI信号有更好的抑制能力。

当然，还有其他很多因素也是选择电源EMI滤波器时必须考虑到的，如外形，连接方式、重量、机械性能等，同时成本也是一个很重要的决定因素。2.5 电源EMI滤波器的安全认证

一个电源EMI滤波器的价格，与通信、雷达等电子信息设备相比，是微不足道的。但它确是控制设备、系统EMI信号电平的关键设备。另外，EMI一般是接在设备电压的入口处。这又引出两个问题。一是一旦滤波器发生质量事故，轻则设备无法通电工作，中则因短路、打火等原因使设备严重损坏，重则危及操作人员的人身安全。另一方面，即使设备电源没有接通，但滤波器却是始终通电 12 AERODEV

埃德电磁 的。综合以上因素，EMI滤波器的安全性能、质量和可靠性是十分重要的。

EMI滤波器的安全性能、质量和可靠性主要取决于元器件的安全性能、设计思路、工艺水平和质控水平。现在，电源EMI滤波器是众多国际安全认证机构的重要考核项目。比较著名的安全认证机构及其针对电源EMI滤波器的安全标准为：

UL—美国保险业研究所，UL1283-96;CSA—加拿大标准协会，CSA22.2No8;VDE—德国电器工程师协会,VDE0565 Part3。

虽说各安全认证机构针对电源EMI滤波器的安全标准各不相同，但标准中涉及的主要测试项目是基本一致的，这些项目有：泄漏电流、试验电压、温升、过载、绝缘电阻、寿命试验、放电特性，以及一些温度湿度特性鉴定。2.6 电源EMI滤波器的安装

最后必须提一下电源EMI滤波器的安装问题。安装对电源EMI滤波器的使用很重要。设计制造得很好的EMI滤波器，也可能因为安装不当而降低它对EMI信号的抑制能力。所以，在安装电源滤波器时，要注意以下几点：

1.电源滤波器的外壳与设备地之间必须有良好的电气连接。不要把滤波器安装在绝缘材料板或喷漆表面上，要安装在金属机壳上。还要避免使用长接地线，这样会大大增加接地电感和电阻从而严重降低滤波器的共模抑制能力。2.在捆扎设备电缆时，严禁将滤波器的输入输出电缆捆扎在一起。因为这样加剧了滤波器输入输出之间的电磁耦合，严重破坏滤波器对EMI信号的抑制能力。3.不要将滤波器安装在设备屏蔽的内部。因为这样，设备内部电路及元件上的EMI信号会因辐射在滤波器的端引线上生成EMI信号而直接耦合到设备外面 13 AERODEV

埃德电磁 去，使设备屏蔽丧失对内部电路和元件产生的EMI辐射的抑制。

4.建议利用设备原有的屏蔽，将滤波器的输入输出端有效的隔离开来，将滤波器输入输出端间可能存在的电磁耦合控制到最低程度。

第三部分 埃德电磁及其滤波器产品介绍（略）

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