《電磁兼容原理、技術(shù)及及應(yīng)用》第4章-濾波課件

1、第 4 章 濾 波 4.1 濾波器的特性4.2 反射式濾波器4.3 吸收式濾波器 4.4 電磁干擾濾波器4.5 電源線濾波器4.6 元件非理想特性的影響 濾波技術(shù)(Filtering Technique)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)電磁干擾，提高電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度水平的主要手段，也是保證設(shè)備整體或局部屏蔽效能的重要輔助措施。濾波的實質(zhì)是將信號頻譜劃分成有用頻率分量和干擾頻率分量兩個頻段，剔除干擾頻率分量部分。 在一定的通頻帶內(nèi)，濾波器的衰減很小，能量可以很容易地通過，在此通頻帶之外則衰減很大，抑制了能量的傳輸。因此，凡與需要傳輸?shù)男盘栴l率不同的騷擾，都可以采用濾波器加以抑制。 濾波器有多種分

2、類方法： (2)按照在電路中的位置和作用：信號濾波、電源濾波、EMI濾波、電源去耦濾波和諧波濾波。 (3)按照電路中是否包含有源器件：無源濾波和有源濾波 。 (4)按照頻率特性：高通、低通、帶通、帶阻濾波。 (1)按照濾波器的能量損耗特性：反射濾波器和損耗濾波器等。4.1 濾波器的特性1、插入損耗（Insertion Losses） 描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗，濾波器濾波性能的好壞主要是由插入損耗決定的 。 插入損耗的定義是:IL越大，對騷擾抑制越？2、頻率特性 濾波器的插入損耗隨頻率的變化即為頻率特性。 信號無衰減地通過濾波器的頻率范圍稱為通帶，而受到很大衰減的頻率范圍稱為阻帶。

3、根據(jù)頻率特性，可把濾波器大體上分為四種：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等。表4-1給出了這四種濾波器的頻率特性曲線。 濾波器的頻率特性又可用中心頻率、截止頻率、最低使用頻率和最高使用頻率等參數(shù)反映。表4-1 濾波器的頻率特性3 阻抗特性 濾波器的輸入阻抗、輸出阻抗直接影響其插入損耗特性。 在許多使用場合，出現(xiàn)濾波器的實際濾波特性與生產(chǎn)廠家給出的技術(shù)指標(biāo)不符，這主要是由濾波器的阻抗特性決定的。因此，在設(shè)計、選用、測試濾波器時，阻抗特性是一個重要技術(shù)指標(biāo)。 在使用EMI濾波器時，應(yīng)保證在輸入、輸出最大限度失配的情況下，有合乎要求的最佳抑制效果。4 額定電壓濾波器工作時允許的最高電壓

4、。若輸入濾波器的電壓過高，會使濾波器內(nèi)部的元件損壞。 5 額定電流濾波器工作時，不降低插入損耗性能的最大使用電流。 一般情況下，額定電流越大，濾波器的體積、重量和成本越大；使用溫度越高，工作頻率越高，其允許的工作電流越小。4.2 反射式濾波器反射式濾波器是指由電感器和電容器組成的, 能阻止無用信號通過, 并把它們反射回信號源的濾波器。 其種類有四種: 低通濾波器、 高通濾波器、 帶通濾波器和帶阻濾波器。 1. 低通濾波器低通濾波器是指低頻通過、 高頻衰減的一種濾波器。 電磁兼容設(shè)計中，低通濾波器用得最多，因為： 電磁干擾大多是頻率較高的信號，因為頻率越高的信號越容易輻射和耦合。 數(shù)字電路中許多

5、高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，防止對其它電路產(chǎn)生干擾。 電源線上的濾波器都是低通濾波器。(1) 并聯(lián)電容低通濾波器 如圖4-2所示, 如果源阻抗和負(fù)載阻抗相等, 則插入損耗為：(4-2)式中: IL插入損耗(dB); f工作頻率(Hz); R源或者負(fù)載阻抗(); C濾波電容(F)。 IL10 lg1+(f RC)2 ( dB)圖 4-2 并聯(lián)電容低通濾波器(2) 串聯(lián)電感低通濾波器 如圖4-3所示, 源阻抗和負(fù)載阻抗相等時, 插入損耗為(4-3)式中: IL插入損耗(dB); L濾波電感(H)。 圖 4-3 串聯(lián)電感低通濾波器(3) L型低通濾波器 (L-Section Filter

6、) L型低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。 (4) 型濾波器(-SectionFilter) 型低通濾波器的線路如圖4-5所示。 在寬波段內(nèi)具有高的插入損耗, 體積也較適中。 當(dāng)源阻抗與負(fù)載阻抗都為R時, 其插入損耗為(4-5) 圖 4-5 型低通濾波器 型濾波器抑制瞬態(tài)干擾不是十分有效。采用金屬殼體屏蔽濾波器能夠改善型濾波器的高頻性能。對于非常低的頻率，使用型濾波器可提供高衰減，如屏蔽室的電源線濾波。(5) T型低通濾波器 T 型低通濾波器的線路如圖4-6所示。當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗均為R時, 插入損耗為：(4-6) 圖 4-6 T型低通濾波器 T型濾波器能夠有效地抑制瞬態(tài)干擾，主要缺點是需要

7、兩個電感器，使濾波器的總尺寸增加。2. 高通濾波器在降低電磁干擾上, 高通濾波器雖不如低通濾波器應(yīng)用廣泛, 但也有用途。 常被用于從信號通道上濾除交流電源頻率或抑制特定的低頻外界信號。圖4-8 低通濾波器向高通濾波器的轉(zhuǎn)換3. 帶通濾波器帶通濾波器是對通帶之外的高頻或者低頻干擾能量進(jìn)行衰減，允許通帶內(nèi)的信號無衰減地通過。 帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。帶通濾波器并接于干擾線和地之間, 以消除電磁干擾信號, 達(dá)到兼容的目的。 4. 帶阻濾波器帶阻濾波器是指用于對特定窄頻帶(在此頻帶內(nèi)可能產(chǎn)生電磁干擾)內(nèi)的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器, 帶阻濾波器通常是串聯(lián)于干擾源與干擾對象之間, 帶阻濾波器結(jié)構(gòu)如下

8、圖所示。 表4-1 濾波器的應(yīng)用選擇 規(guī)律：電容對高阻，電感對低阻 吸收式濾波器是由有耗元件構(gòu)成的, 它通過吸收不需要頻率成分的能量(轉(zhuǎn)化為熱能)來達(dá)到抑制干擾的目的。 吸收式濾波器采用鐵氧體材料或其他有損耗材料，將導(dǎo)線穿過或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上，利用其電感及磁場渦流損耗阻斷騷擾信號的傳播。 對于反射式濾波器，當(dāng)濾波器的輸入阻抗和源阻抗不匹配時，一部分有用信號的能量將被反射回源，這導(dǎo)致干擾電平的增加而不是減少，因而導(dǎo)致了吸收式濾波器的研制、應(yīng)用。4.3 吸收式濾波器1）電纜濾波器 將鐵氧體材料填充在電纜里可以制成電纜濾波器。電纜濾波器的特點是體積小，具有理想的高頻衰減特性，只需較短的一

9、段有耗電纜就可以獲得預(yù)期的濾波效果。2）鐵氧體磁環(huán) 管狀鐵氧體磁環(huán)提供了一種抑制通過導(dǎo)線的不需要的高頻騷擾的既簡便又經(jīng)濟(jì)的方法。當(dāng)導(dǎo)線穿過磁環(huán)時，在磁環(huán)附近的一段導(dǎo)線將具有單匝扼流圈的特性，低頻時具有低阻抗。這個阻抗隨著流過電流的頻率的升高而增大，在一個寬的高頻帶內(nèi)，具有適中的高阻抗,以抑制高頻電流的通過。因此，用鐵氧體磁環(huán)可以構(gòu)成低通濾波器。電感磁芯的選用：鐵粉磁芯：不易飽和、導(dǎo)磁率低，作差模扼流圈的磁芯鐵氧體：最常用錳鋅：r = 500 10000，R = 0.1100m鎳鋅：r = 10 100，R = 1k 1Mm超微晶：r 10000，做大電感量共模扼流圈的磁心 鐵氧體磁心具有很好的

10、高頻騷擾抑制能力，被制成各種形狀及大小，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。低頻時主要取決于感抗，高頻時鐵耗成為阻抗的主要成分不同的鐵氧體抑制材料, 有不同的最佳抑制頻率范圍, 與初始磁導(dǎo)率有關(guān)。 通常材料的磁導(dǎo)率越高, 適用抑制的頻率就越低。 磁導(dǎo)率 最佳抑制頻率范圍 125 200 MHz 850 30200 MHz 2500 1030 MHz 5000 10 MHz 在有直流或低頻交流情況下, 要考慮到抑制性能的下降和飽和, 盡量選用磁導(dǎo)率低的材料。 鐵氧體抑制元件選擇的原則是, 在使用空間允許的條件下, 選擇盡量長、 盡量厚和內(nèi)孔盡量小的鐵氧體抑制元件。 鐵氧體材料的選擇：根據(jù)要抑制干擾的頻率不同

11、，選擇不同磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。鐵氧體材料的磁導(dǎo)率越高，低頻的阻抗越大，高頻的阻抗越小。另外，一般導(dǎo)磁率高的鐵氧體材料介電常數(shù)較高，當(dāng)導(dǎo)體穿過時，形成的寄生電容較大，這也降低了高頻的阻抗。鐵氧體磁環(huán)的尺寸確定：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線。因此，要獲得大的衰減，盡量使用體積較大的磁環(huán)。共模扼流圈的匝數(shù)：增加穿過磁環(huán)的匝數(shù)可以增加低頻的阻抗，但是由于寄生電容增加，高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤。當(dāng)需要抑制的干擾頻帶較寬時，可在兩個磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。例：某設(shè)備有兩個超標(biāo)輻射頻率點，一個是為40MHz，另一個為900MHz。經(jīng)檢查，確定是電

12、纜的共模輻射所致。在電纜上套一個磁環(huán)（1/2匝），900MHz的干擾明顯減小，不再超標(biāo)，但是40MHz頻率仍然超標(biāo)。將電纜在磁環(huán)上繞3匝，40MHz干擾減小，不再超標(biāo)，但900MHz超標(biāo)。怎樣解決這個問題？電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)：增加電纜上的鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)，可以增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會減小。這是因為寄生電容增加的緣故。偏置電流的影響：當(dāng)穿過鐵氧體磁環(huán)的導(dǎo)體上有電流時，鐵氧體的阻抗會減小，適當(dāng)增加磁環(huán)的長度可以彌補(bǔ)這個損失。由于鐵氧體磁環(huán)主要對高頻干擾其抑制作用，而高頻干擾一般為共模干擾，因此在使用時，將載有電流及其回流的導(dǎo)線對同時穿過鐵氧體，就可以避免電流偏置，同時對共模干擾電流的衰減

13、作用沒有改變。鐵氧體磁環(huán)的安裝位置：一般盡量靠近干擾源。對于屏蔽機(jī)箱上的電纜，磁環(huán)要盡量靠近機(jī)箱的電纜進(jìn)出口。與電容式濾波連接器一起使用效果更好：由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于原來共模環(huán)路的阻抗，原來回路的阻抗越低，則磁環(huán)的效果越明顯。因此當(dāng)原來的電纜兩端安裝了電容式濾波連接器時，其阻抗很低，磁環(huán)的效果更明顯。 穿心電容實質(zhì)上是一種三端電容，一個電極與芯線相聯(lián)，另一個電極與外殼相聯(lián)。使用時，一個電極通過焊接或螺裝的方式直接安裝在金屬面板上，需要濾波的信號線連接在芯線的兩端。穿心電容的濾波范圍可以達(dá)到數(shù)GHz以上。3）穿芯電容器插入損耗頻率1GHz普通電容理想電容穿心電容 穿心電容的阻抗接近理想電容

14、，只是在某個頻率會出現(xiàn)一個凹陷。穿芯電容器與鐵氧體磁環(huán)結(jié)合構(gòu)成的高頻濾波電路，常用于抑制電源線上的共模高頻干擾。例如，電動機(jī)的控制線路中，由電動機(jī)碳刷滑動接觸發(fā)射的高頻輻射和傳導(dǎo)干擾，將向外輻射或者通過接線端傳導(dǎo)至低電平電路。為防止輻射干擾，應(yīng)采用金屬屏蔽體將電動機(jī)屏蔽，然后將穿芯電容器和磁環(huán)連接于導(dǎo)線上以抑制電動機(jī)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，如圖8-14所示。 用于抑制電磁騷擾在電路中傳播的濾波器統(tǒng)稱為電磁干擾濾波器（EMI濾波器），也有的稱為射頻干擾濾波器（RFI濾波器）。4.4 電磁干擾濾波器 EMI濾波器通常是由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成的低通濾波器。4.4.1 EMI濾波器的基本電路結(jié)構(gòu) EMI濾波

15、器不但要抑制經(jīng)兩根導(dǎo)線流通的騷擾信號（差模干擾），而且還要抑制經(jīng)任一根導(dǎo)線與地回路流通的騷擾信號（共模干擾）。 差模干擾和共模干擾EMI濾波器的基本電路 信號濾波器的安裝位置板上濾波器無屏蔽的場合濾波器靠近被濾波導(dǎo)線的靠近器件或線路板一端。有屏蔽的場合：在屏蔽界面上抑制設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射或提高對電網(wǎng)中騷擾的抗擾度。4.5 電源線濾波器 除了要考慮源阻抗和負(fù)載阻抗的匹配外，電源線濾波器的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容選值受到一定限制。 串聯(lián)電感L值不能取得太大，否則會產(chǎn)生較大的電源壓降，影響正常供電； 接地的并聯(lián)電容值也不能取得太大，否則對地漏電流增加，可能會超出限值而影響人身安全或引起漏電保護(hù)。電力電源線攜帶

16、的電磁騷擾分為兩類：共模電流/電壓、差模電流/電壓。共模干擾(Common-modeInterference)定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾(Differential-modeInterference)定義為任何兩個載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。因此，參考圖4-16所示的三根導(dǎo)線，共模電壓Uc和差模電壓Ud為(4-6)圖4-16 共模和差模干擾(4-7) 式中：UPG是相線(Phase Wire)與地線(Ground Wire)之間的電壓； UNG是中線(Neutral Wire)與地線之間的電壓。由圖4-16可見，來自源經(jīng)相線和中線的差模干擾電流Ic經(jīng)地線離開負(fù)

17、載返回，來自源經(jīng)相線的差模干擾電流Id經(jīng)中線離開負(fù)載返回。 任何電源系統(tǒng)內(nèi)的傳導(dǎo)騷擾，都可用共模騷擾和差模騷擾來表示，并且可以將相線-地線、中線-地線間/上的共模騷擾信號，相線-中線間/上的差模騷擾信號，看作獨立的騷擾源，將相線-地線、中線-地線和相線-中線看作獨立網(wǎng)絡(luò)端口，以便分析騷擾信號和相關(guān)的濾波網(wǎng)絡(luò)。 為滿足上述要求，可使用共模扼流圈。共模扼流圈共模扼流圈中的負(fù)載電流產(chǎn)生的磁場相互抵銷，因此磁芯不會飽和。安裝應(yīng)注意的問題：濾波器的安裝位置 設(shè)備的入口/出口處濾波器的接地 與設(shè)備外殼的大面積導(dǎo)電接觸濾波器輸入和輸出引線的隔離 輸入與輸出分開 用濾波器解決屏蔽體上的穿透對屏蔽效果的影響電源

18、線濾波器的錯誤安裝PCB濾波器濾波器輸入線過長輸入、輸出耦合PCB電源線濾波器的錯誤安裝濾波器絕緣漆PCB濾波器通過細(xì)線接地，高頻效果很差！接地線濾波器的正確安裝濾波器PCB 濾波器直接接地盡量短 輸入、輸出線隔離濾波器安裝在線路板上時，在電源線入口處增加一只高頻共模濾波器電源PCB濾波電路 電纜線對高頻騷擾具有天線作用，通常是在電纜線端口處并聯(lián)電容濾波。4.6 元件非理想特性的影響 有時濾波效果并不好，源于濾波電路及元件并非是理想情況，存在各種寄生參數(shù)，影響了濾波效果。1元件的非理想特性電容器模型 電感器模型引線長1.6mm的陶瓷電容器 電容量 諧振頻率(MHZ) 1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 60實際電感器的特性ZL理想電感實際電感f 電感量 （H） 諧振頻率 (MHZ) 3.4 45 8.8