电源滤波器

电源滤波器(英语:line filter)或噪声滤波器(英语:noise filter)是指一种安装在电子设备和其电源之间的电子滤波器,其目的是在降低设备和电源之间电源线上传导的电磁干扰,而电磁干扰的信号一般都是高频的噪声,因此使用的电源滤波器一般会一种低通滤波器就能解决此问题[1],物理上,多半是由电容器电感器所组成。

电源滤波器
单相电源滤波器的线路图

R = 1.0 MΩ
CX = 100 nF(X电容)
CY = 2.2 nF(Y电容)
L = 2×1.0 mH

电源滤波器可以整合在连接器内,例如交流电源滤波器可以整合在模组化的IEC电源接头,或是电源输入模块英语Power entry module中,而电话线上的电源滤波器可以整合在RJ11接头中。

电源滤波器可以贴装在印刷电路板上,也可以是一个安装在设备内的独立元件,也有些电源滤波器会安装在房间或配电盘的电源侧。

特性

电源滤波器的目的是在抑制电磁噪声,噪声的影响可分为以下二种:

  • 发射(Emissions):是要将由设备产生,影响电源或其他设备的噪声降到法规(例如FCC part 15)允许值以下,例如由开关电源产生的噪声。
  • 抗扰(Immunity): 是要将进入设备的噪声降低到不会使设备出现异常动作的程度,例如用在广播电台发射设备中的仪器。

电源滤波器要抑制的噪声可分为以下的二种:

  • 共模:在二条(或多条)电源线都相同的噪声,可视为电源线对地的噪声。
  • 差模:电源线和电源线之间的噪声。

同一个电源滤波器对于共模噪声及差模噪声的抑制能力会有所不同,一般会用频率对应抑制量(以分贝表示)的频谱来说明。

结构

电源滤波器一般都设计为只由电阻、电容及扼流圈组成的被动滤波器,没有像晶体管之类的主动元件。右图是一个电源滤波器的例子,电源滤波器的上方接电源,电源端有一个共模扼流圈,也就是电源的二条线依同一个方向绕在铁心上,电源线上若有共模讯号,其在扼流圈产生的磁场会相加,因此有较大的阻抗,而差模讯号在扼流圈产生的磁场会互相抵消,因此可以流过扼流圈。电源流过的电流主要是差模的,但上面也可能会噪声以差模的形式出现,若要抑制差模噪声,需要另外使用差模扼流圈,或是各相有个别的电感器。

在电源滤波器上会使用特别的安规解耦电容,分为X电容及Y电容二类:

  • X电容:抑制差模干扰(电源线之间的干扰)。
  • Y电容:抑制共模干扰(各组电源线对地之间的干扰)。

由于Y电容提高会使电器的漏电流增加,而电器的漏电流有其规定范围,因此Y电容不能太大,一般都会比X电容要小。

X电容和Y电容属于安规电容,即其失效后不会造成电击,也不会影响人身安全。二者都有自我复原(self-healing)作用,会使局部短路的部分恢复原来的绝缘状态[2]

对其他零件的影响

接地故障断路器

对于Class I(有接地的设备)而言,单相电源的二个Y电容会造成流经接地导体电流的增加提高。医疗设备要求接地漏电流不得超过0.5mA,其他保护等级Class I的设备接地漏电流不得超过3.5mA[3]。也因此Y电容的大小会受到限制[4]

接地漏电保护插座上有多台设备使用电源滤波器,其漏电流可能会累积到30 mA,使得漏电保护开关跳脱[5],因此需使用有延时机能的漏电断路器,漏电断路器的额定电流可能需加大[6]

外壳漏电压

若保护等级Class I的设备中,接地保护的导体没有导通,则设备的金属外壳会有电流流到地。这是Y电容产生的电容分压的结果,电源对地的电压约为115伏。一般医疗用的设备其漏电流需小于0.5 mA,其电源滤波器的Y电容会更小,而其电感感值则会对应增加。

回路接地

若一个有接地的设备(如电脑)以非平衡的接线方式接到一个没有接地的设备,其接地设备的Y电容、信号线的地线及电脑的接地会形成回路接地英语Ground loop (electricity),也就是各设备的接地电位不同,造成有电流在各接地点之间流动的情形。

参考资料