《電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計》第4章課件

1、電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件第4章 濾波技術(shù)第4章 濾波技術(shù) 電磁兼容濾波器設(shè)計是電磁兼容設(shè)計工程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。有時候設(shè)計的濾波器性能如何會決定整個電器設(shè)備是否能夠正常工作。但因為電磁兼容濾波器的設(shè)計涉及的知識面非常廣，設(shè)計出一個性能較好的濾波器并不是一件容易的事情。 干擾的分類按噪聲產(chǎn)生的原因分類放電噪聲 主要是因為雷電、靜電、電動機(jī)的電刷跳動、大功率開關(guān)觸點斷開等放電產(chǎn)生的噪聲。 電磁兼容濾波器設(shè)計是電磁兼容設(shè)計工程中的一個非常重高頻振蕩噪聲 主要是中頻電弧爐、感應(yīng)電爐、開關(guān)電源、直流交流變換器等產(chǎn)生高頻振蕩時形成的噪聲。浪涌噪聲 主要

2、是交流系統(tǒng)中電動機(jī)啟動電流、電爐合閘電流、開關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通電流以及晶閘管變流器等設(shè)備產(chǎn)生涌流引起的噪聲。 這些干擾對微機(jī)測控系統(tǒng)都有嚴(yán)重影響，必須認(rèn)真對待，而其中尤以各類開關(guān)通、斷電時所產(chǎn)生的干擾最難以抑制或消除。 高頻振蕩噪聲按噪聲傳導(dǎo)模式分類 對于傳導(dǎo)噪聲，按其傳導(dǎo)模式分為差模噪聲和共模噪聲。 差模噪聲 又稱線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲。有些書中也稱其為串模噪聲或常模噪聲、橫向噪聲等。如下圖所示，噪聲往返于兩條線路間，N為噪聲源，R為受擾設(shè)備，UN為噪聲電壓，噪聲電流IN和信號電流IS的路徑在往返兩條線上是一致的。 按噪聲傳導(dǎo)模式分類 差模干擾電流是由外界電磁場在信號線和信號地線構(gòu)成的回路中感應(yīng)

3、出的。由于電纜中的信號線與其地線靠得很近，因此形成的環(huán)路面積很小，所以外界電磁場感應(yīng)的差模電流一般不會很大。 在電源線中，差模干擾電流往往是由電網(wǎng)上其他電器的電源發(fā)射出的(特別是開關(guān)電源)和感性負(fù) 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 載通斷時產(chǎn)生的(其幅度往往很大)。差模干擾電流都會直接影響設(shè)備的工作，并且，這種噪聲難以除掉。共模噪聲 又叫地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對稱噪聲。如下圖所示，噪聲侵入線路和地線間。噪聲電流在兩條線上各流過一部分，以地為公共回路，而信號電流只在往返兩條線路中流過。形成這種干擾電流的原因有3個，一個是外界電磁場在電纜中的所有導(dǎo)線上感應(yīng)出來電壓(這個電壓相對于大地是等幅同

4、相的)，這個電壓產(chǎn)生電流；另一個原因是由于電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同所致， 載通斷時產(chǎn)生的(其幅度往往很大)。差模干擾電流都會直接 在這個地電壓的驅(qū)動下產(chǎn)生電流；第三個原因是設(shè)備上的電纜與大地之間有電位差，這樣電纜上會有共模電流。 在這個地電壓的驅(qū)動下產(chǎn)生電流；第三個原因是設(shè)備上的電纜 從定義容易理解：共模電流本身并不會對電路產(chǎn)生影響，只有當(dāng)共模電流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏?電壓)時，才會對電路產(chǎn)生影響，這種情況發(fā)生在電路不平衡的情況下。 另外，如果設(shè)備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，則電纜會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，造成設(shè)備不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對輻射發(fā)射的限制要求，或?qū)ζ渌O(shè)備造成干擾。 共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪

5、聲 從本質(zhì)上講，共模噪聲是可以除掉的。但是由于線路的不平衡狀態(tài)，共模噪聲會轉(zhuǎn)化成差模噪聲?？捎孟聢D來說明共模噪聲轉(zhuǎn)化成差模噪聲的原理。 從定義容易理解：共模電流本身并不會對電路產(chǎn)生影響，只有 在上圖中，N為噪聲源，L為負(fù)載，Z1和Z2是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2的對地阻抗。如果Z1 = Z2，則噪聲電壓電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 VN1和噪聲電壓VN2相等，從而噪聲電流IN1 和IN2相等，即噪聲電流不流過負(fù)載。然而當(dāng)Z1 Z2 時，則VN1 VN2，從而IN1IN2，于是VN1 - VN2= VN，VN /ZLIN (ZL為負(fù)載阻抗)，這是常模噪聲。 因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)常模噪聲時，首先考慮它是否由于

6、線路不平衡狀態(tài)而從共模噪聲轉(zhuǎn)化來的。通常，輸入輸出線與大地或機(jī)殼之間發(fā)生的噪聲都是共模噪聲，信號線受到靜電感應(yīng)時產(chǎn)生的噪聲也多為共模噪聲。抑制共模噪聲的方法很多，如屏蔽、接地和隔離等?？垢蓴_技術(shù)在很多方面都是圍繞共模噪聲來研究其有效的抑制措施。 VN1和噪聲電壓VN2相等，從而噪聲電流IN1 和IN按噪聲波形及性質(zhì)分類持續(xù)正弦波 持續(xù)正弦波多以頻率、幅值等特征值表示，是一種典型的周期噪聲。最常見的該類噪聲就是50Hz的工頻噪聲。這種噪聲出現(xiàn)在直流電源上表現(xiàn)為紋波，出現(xiàn)在聲音信號中，表現(xiàn)為惹人煩的交流聲，出現(xiàn)在視頻影像信號中，為橫條干擾。偶發(fā)脈沖電壓波形 這種噪聲多以最高幅值、前沿上升陡度、脈沖

7、寬度以及能量等特征值表示。例如雷擊波、接點分?jǐn)嚯妷贺?fù)載和靜電放電等波形。該類噪聲周期性不明顯，在通信信號中，容易引起突發(fā)誤碼。 按噪聲波形及性質(zhì)分類脈沖列 脈沖列多以最高幅值、前沿上升陡度、單個脈沖寬度、脈沖序列持續(xù)時間等特征值表示，如接點分?jǐn)嚯姼胸?fù)載和接電反復(fù)重燃過電壓等。該類噪聲呈現(xiàn)一定的周期性，能量較大，一般較難消除。 噪聲中的主要能量是由干擾引起的。消除有用信號中的噪聲，從根本上來說，就是要消除或降低干擾對電路的影響。我們可以針對不同的噪聲類型，設(shè)計或選用不同的防干擾濾波器。 脈沖列 4.1 電磁干擾濾波器4.1.1 電磁干擾濾波器的工作原理 電磁干擾濾波器的工作原理與普通濾波器一樣，

8、它能允許有用信號的頻率分量通過，同時又阻止其他干擾頻率分量通過。其方式有兩種：一種是不讓無用信號通過，并把它們反射回信號源；另一種是把無用信號在濾波器里消耗掉。 4.1.2 電磁干擾濾波器的特殊性 由于電磁干擾濾波器的作用是抑制干擾信號的通過，所以它與常規(guī)濾波器有很大的不同。 (1)電磁干擾濾波器應(yīng)該有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、安裝方便、工作可靠、重量輕、尺寸小及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。4.1 電磁干擾濾波器 (2)電磁干擾濾波器對電磁干擾抑制的同時，能在大電流和電壓下長期工作，對有用信號消耗要小，以保證最大傳輸效率。 (3)由于電磁干擾的頻率是20Hz到幾十GHz，故難以用集總參數(shù)等效電路來模擬濾波電路。 (

9、4)要求電磁干擾濾波器在工作頻率范圍內(nèi)有比較高的衰減性能。 (5)干擾源的電平變化幅度大，有可能使電磁干擾濾波器出現(xiàn)飽和效應(yīng)。 (6)電源系統(tǒng)的阻抗值與干擾源的阻抗值變化范圍大，很難得到使用穩(wěn)定的恒定值，所以電磁干擾濾波器很難工作在阻抗匹配的條件下。 (2)電磁干擾濾波器對電磁干擾抑制的同時，能在大電流4.1.3 濾波器的主要特性 濾波器最主要的特性參數(shù)有額定電壓、額定電流、頻率特性、輸入輸出阻抗、插入損耗以及傳輸頻率特性等。額定電壓 指輸入濾波器的最高允許電壓值。若輸入濾波器的電壓過高，會使內(nèi)部電容損壞。 額定電流 指在額定電壓和規(guī)定環(huán)境溫度條件下，濾波器所允許的最大連續(xù)工作電流。一般使用溫

10、度越高其允許的工作電流越小。同時，工作電流還與頻率有關(guān)：工作頻率越高，其允許電流越小。 4.1.3 濾波器的主要特性頻率特性 濾波器的頻率特性是描述其抑制干擾能力的參數(shù)，通常用中心頻率、截止頻率以及上升和下降斜率表示。輸入輸出阻抗 從信號源到濾波器輸入的阻抗稱為輸入阻抗，濾波器輸出到接收電路的阻抗稱為輸出阻抗。選擇濾波器需要考慮阻抗匹配，以防止信號衰減。插入損耗 描述濾波器性能的最主要參量是插入損耗，插入損耗的大小隨工作頻率不同而改變。插入損耗的定義是: 頻率特性 式中：V1-信號源通過濾波器在負(fù)載阻抗上 建立的電壓(V)； V2-不接濾波器時信號源在同一負(fù)載 阻抗上建立的電壓(V)； Lin

11、-插入損耗(dB)。 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件傳輸頻率特性 濾波器最重要的是其傳輸頻率特性，可用對數(shù)幅頻特性20lgA來表示。在抗干擾技術(shù)中又稱為衰減系數(shù)，即: 衰減系數(shù)= (單位dB)式中： 濾波器的輸出信號， 濾波器的輸入信號， 信號的角頻率。 傳輸頻率特性4.2 濾波器的分類 按濾波器的作用對象分類 根據(jù)濾波器的作用對象可以分為電源濾波器和信號濾波器， 4.2 濾波器的分類 按照對不需要的信號能量的抑制方式分類 按照對不需要的信號能量的抑制方式分類又可分為反射式濾波器和吸收式濾波器。4.2.1 反射式濾波器帶阻濾波器 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

12、)內(nèi)的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器。其頻率特性如下圖所示，其中C1和C2為截止頻率。 按照對不需要的信號能量的抑制方式分類 帶阻濾波器是用作串聯(lián)在負(fù)載和干擾源之間的抑制器件。 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件帶通濾波器 帶通濾波器正好和帶阻濾波器相反，它是指作用于對特定窄頻帶外的能量進(jìn)行衰減的一種濾波器。帶通濾波器是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。其頻率特性如下圖所示，其中C1和C2為截止頻率。 它用在信號頻率僅占較窄帶寬的場合，如通信接收機(jī)的天線端口上要安裝帶通濾波器，僅允許通信信號通過。 帶通濾波器高通濾波器 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，

13、但也有用途。特別是這種濾波器一直被用于從信號通道上濾除交流電流頻率或抑制特定的低頻外界信號。 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 設(shè)計高通濾波器時，均采用倒轉(zhuǎn)方法，凡滿足倒轉(zhuǎn)原則的低通濾波器可以很方便地變成所需要的高通濾波器。倒轉(zhuǎn)原則就是將低通濾波器的每一個線圈換成一個電容器，而每一個電容器換成一個線圈，就可變成高通濾波器。 高通濾波器用在干擾頻率比信號頻率低的場合，如在一些靠近電源線的敏感信號線上濾除電源諧波造成的干擾。它的頻率特性如下圖所示，其中C為截止頻率。 設(shè)計高通濾波器時，均采用倒轉(zhuǎn)方法，凡滿足倒轉(zhuǎn)原則的低通低通濾波器 它是最常用的一種電磁兼容濾波器，主要用在干擾信號頻率比工作信號

14、頻率高的場合。 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 電源線濾波器也是低通濾波器，它僅允許50Hz的電流通過，對其他高頻干擾信號有很大的衰減。低通濾波器的頻率特性如下圖所示，其中C為截止頻率。 電源線濾波器也是低通濾波器，它僅允許50Hz的電流通過1. 低通濾波器 常用的低通濾波器是用電感和電容組合而成的，電容并聯(lián)在濾波器的信號線與信號地線之間(濾除差模干擾電流)或信號線與機(jī)殼地或大地之間(濾除共模干擾電流)，電感串聯(lián)在要濾波的信號線上。 按照電路結(jié)構(gòu)分，有單電容型(C型)、單電感型(L型)、型和反型、T型和型。不同結(jié)構(gòu)的濾波電路主要有兩點不同： (1)電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減

15、越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。1. 低通濾波器 (2)不同結(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和負(fù)載阻抗。電容濾波器 電容C的電抗與頻率有關(guān)。若設(shè)輸入量為電流Ic(S)，輸出為電壓 如下圖所示，則傳遞函數(shù)為： 頻率特性為： (2)不同結(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和負(fù)載阻抗對數(shù)幅頻特性為： 顯然，隨著頻率 = 濾波器的輸出電壓衰減逐漸增加，起到了低通濾波效果。其輸入輸出特性如下圖(d)所示。 濾波器的電容要有耐壓高、絕緣好、溫度系數(shù)小和自諧振頻率高等特性。 對數(shù)幅頻特性為： 濾波器的電容要有耐壓高、絕緣好、溫度系數(shù)小和自諧振頻率高等特性。 下圖(a)所示的濾波器結(jié)構(gòu)最簡單，接在干擾源線

16、間能衰減串模噪聲；接在干擾源和地線間能衰減共模噪聲；接在印刷電路板中的直流電源線和地線間能抑制電源噪聲。下圖(b)中電容中點接地，能夠把噪聲電流旁路入地，能消除共模噪聲。下圖(c)中的C3接在電源線間，這種結(jié)構(gòu)能有效地抑制共模(由C1、C2完成)和串模噪聲(由C3完成)。 濾波器的電容要有耐壓高、絕緣好、溫度系數(shù)小和自諧振頻率電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件電感濾波器 電感L的電抗與頻率有關(guān)。若設(shè)輸入量為電流 輸出為電壓 ，且與電流變化率方向相反，如下圖(a)所示。則傳遞函數(shù)為 頻率特性為 對數(shù)幅頻特性為電感濾波器顯然，隨著頻率 ，電感線圈兩端電壓 將增加。由于電感串聯(lián)在線路中，因此濾波器

17、的輸出 將衰減，起到了濾波的效果。電感濾波器的輸入輸出特性如下圖(b)所示。濾波器中的電感器件應(yīng)在負(fù)載電流情況下具有不飽和、溫度系數(shù)小和直流電阻低等性質(zhì)。為了避免負(fù)載電流使電感產(chǎn)生飽和，可選用共模扼流圈或不易飽和的磁芯線圈。電感線圈有兩種，即常模扼流圈和共模扼流圈。 顯然，隨著頻率 ，電感RC低通濾波器 低通濾波器接在電路中，按其結(jié)構(gòu)可分為L形、形和T形，如下圖所示。它具有濾去高頻，而讓低頻信號容易通過的性能。電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件L形RC低通濾波器 L形RC低通濾波器如下圖(a)所示。 L形RC低通濾波器 其傳遞函數(shù)為：其頻率特性為：如果令 則有其中， 稱為上限截止頻率。當(dāng) 時

18、，則大其傳遞函數(shù)為：有衰減，即 每提高10倍， 將下降20dB。 形RC低通濾波器 形RC低通濾波器如下圖(b)所示。 有衰減，即 每提高10倍， 將下降20dB。 其傳遞函數(shù)為： 由此可以看出，形與L形有相同的衰減系數(shù)。實際上，由于信號源不可避免含有內(nèi)阻，當(dāng)形濾波器和信號源連接后，相當(dāng)于兩級L形濾波器串聯(lián)，對濾波特性將有很大改善。T形RC低通濾波器 T形RC低通濾波器結(jié)構(gòu)如下圖(c)所示。 其傳遞函數(shù)為： 為了求其傳遞函數(shù)，可根據(jù)電工學(xué)中星形三角形變換公式，如下圖所示， 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件圖(a)變換成圖(b)時，有： 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 根據(jù)上面公式，圖

19、(c)變換成圖(d)時，有： 于是求得T形濾波器的傳遞函數(shù)為： 根據(jù)上面公式，圖(c)變換成圖(d)時，有： 由此可以看出，T形RC濾波器與L形RC濾波器有相同的濾波特性。實際上往往將T形濾波器用于負(fù)載阻抗小的情況，這比應(yīng)用L形和形濾波器時的負(fù)載電流要小得多，減輕了信號源的負(fù)擔(dān)。 上述3種形式的RC濾波器制造簡單，價格便宜，體積小，對外界的磁場變化敏感低，廣泛用于信號傳輸線路中的噪聲抑制。 由此可以看出，T形RC濾波器與L形RC濾波器有相同的濾LC低通濾波器 對于下圖 (a) 所示電路結(jié)構(gòu)，若設(shè)電感L的直流電阻為R， 則傳遞函數(shù)為： LC低通濾波器 其頻率特性為：幅頻特性為： 電子產(chǎn)品電磁兼容

20、和安規(guī)設(shè)計第4章課件為了便于和RC低通濾波器相比較，設(shè) 那么當(dāng) 時，則有 為了便于和RC低通濾波器相比較，設(shè) 那么如果令 則 由此可見，LC低通濾波器比RC低通濾波器有更好的濾波性能。但是制造電感線圈比較麻煩，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，也不便于集成化和小型化，使其應(yīng)用范圍受到局限。形LC低通濾波器 其結(jié)構(gòu)如下圖(b)所示，其傳遞函數(shù)為： 如果令 則電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 由此可見，形與L形有相同的衰減系數(shù)。實際上，由于信號源不可避免含有內(nèi)阻，當(dāng)形濾波器和信號源連接后，相當(dāng)于L形RC濾波器和LC濾波器串聯(lián)，有效地改善了濾波特性。T形LC低通濾波器 根據(jù)電工學(xué)中星形三角形變換原理，將T形電路

21、濾波器變換成形電路，如下圖所示。 由此可見，形與L形有相同的衰減系數(shù)。實際上，由于信號源 設(shè)圖中Z1、Z3對應(yīng)的電導(dǎo)抗為Y1和Y3，則T形LC低通濾波器的傳遞函數(shù)按下述步驟求出： 因為： 所以 設(shè)圖中Z1、Z3對應(yīng)的電導(dǎo)抗為Y1和Y3，則T形LC低 由此可見，T形濾波器與L形濾波器有相同的濾波特性。實際上往往將T形濾波器用于負(fù)載阻抗小的情形，這比應(yīng)用L形、形濾波器時負(fù)載電流小，有效減輕了信號源的負(fù)擔(dān)。 低通濾波器的結(jié)構(gòu)選擇 由上節(jié)分析可知，L形、形和T形濾波器具有相同的衰減系數(shù)，這是在沒有考慮輸入、輸出效應(yīng)情況下討論的。實際上系統(tǒng)的輸入、輸出效應(yīng)總是客觀存在的，即信號源總是有內(nèi)阻抗，負(fù)載總是有

22、輸入阻抗，要根據(jù)信號源的內(nèi)阻和負(fù)載阻抗來選擇低頻濾波器的電路結(jié)構(gòu)形式，如下圖所示。 由此可見，T形濾波器與L形濾波器有相同的濾波特性。實際電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式 低通濾波器一般采用對稱結(jié)構(gòu)，以保證線路平 衡，這有利于抑制共模干擾信號，如下圖所示。低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式 低通濾波器為了改善選頻特性，可以實行級間串聯(lián)。但前面在討論濾波器的傳遞函數(shù)和頻率特性時，都沒有考慮濾波器的負(fù)載的影響，即在沒有負(fù)載電流情況下討論的。但級聯(lián)以后，由于后級成為前級的負(fù)載，導(dǎo)致總的頻率特性與單級不同。下圖為兩級RC低通濾波器的串聯(lián)，后級成為前級的負(fù)載。 低通濾波器為

23、了改善選頻特性，可以實行級間串聯(lián)。但前面在傳遞函數(shù)為若設(shè) 則有：求解傳遞函數(shù)的特征方程，即則 傳遞函數(shù)為 這說明在某一頻率下可能發(fā)生振蕩。由此可以看出，原來兩個獨立的一階RC濾波器，串聯(lián)后成了二階網(wǎng)絡(luò)。頻率特性變化的根本原因是后級成了前級的負(fù)載。 若使后級的RC阻抗增大，對前級造成的負(fù)載效應(yīng)忽略不計，則形成了兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，分析起來十分方便，如下圖( a )所示，后級的阻抗為 這說明在某一頻率下可能發(fā)生振蕩。由此可以看出，原來兩個后級的阻抗是前級阻抗的m倍。如下圖(b)所示，由于忽略了負(fù)載效應(yīng)，同理可得電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件令 則電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 由此可得

24、出結(jié)論：當(dāng)RC低通濾波器串聯(lián)工作時，若后級的電阻是前級的m倍，其電容應(yīng)減小為前級電容的l/m，那么當(dāng)頻率超過截止頻率時，一級濾波器衰減20dB/十倍頻程，二級濾波器衰減40dB/十倍頻程，三級濾波器衰減為60dB/十倍頻程。級數(shù)越多，衰減系數(shù)也就越大。 由此可得出結(jié)論：當(dāng)RC低通濾波器串聯(lián)工作時，若后級的電4.3 常用濾波器元件4.3.1 電容器實際電容器的特性 電容器是基本的濾波器件，在低通濾波器中作為旁路器件使用。利用它的阻抗隨頻率升高而降低的特性，起到對高頻干擾旁路的作用。但是，在實際使用中一定要注意電容器的非理想性。 (1)實際電容器的等效電路 實際電容器的電路模型如下圖所示，它是由等

25、效電感(ESL)、電容和等效電阻(ESR)構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。電感分量是由引線和電容結(jié)構(gòu)所決定的，電阻是介質(zhì)材料所固有的。4.3 常用濾波器元件 電感分量是影響電容頻率特性的主要指標(biāo)，因此，在分析實際電容器的旁路作用時，用LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來等效。 (2)對濾波特性的影響 實際電容器的特性如下頁圖所示，當(dāng)角頻率為1/時，會發(fā)生串聯(lián)諧振，這時電容的阻抗最小，旁路效果最好。 電感分量是影響電容頻率特性的主要指標(biāo)，因此，在分析實際電 超過諧振點后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗的特性隨頻率的升高而增加，旁路效果開始變差。這時，作為旁路器件使用的電容器就開始失去旁路作用。 超過諧振點后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻

26、抗的特性隨 理想電容的阻抗是隨著頻率的升高而降低，而實際電容的阻抗具有如上圖所示的頻率特性，在頻率較低時，呈現(xiàn)電容特性，即阻抗隨頻率的增加而降低，在某一點發(fā)生諧振，在這點電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點以上，由于ESL的作用，電容阻抗隨著頻率的升高而增加，這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點以上，由于電容的阻抗增加，因此對高頻噪聲的旁路作用減弱，甚至消失。 電容的諧振頻率由ESL和C共同決定，電容值或電感值越大，則諧振頻率越低，也就是電容的高頻濾波效果越差。 理想電容的阻抗是隨著頻率的升高而降低，而實際電容的阻抗 ESL除了與電容器的種類有關(guān)外，電容的引線長度是一個十分重要的參數(shù)，引

27、線越長，則電感越大，電容的諧振頻率越低。因此在實際工程中，要使電容器的引線盡量短，電容器的正確安裝方法和不正確安裝方法如下圖所示。 ESL除了與電容器的種類有關(guān)外，電容的引線長度是一個十 (3)溫度的影響 由于電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響，因此電容器的電容值也隨著溫度變化。不同的介質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律不同，有些電容器的容量當(dāng)溫度升高時會減小70%以上，常用的濾波電容為瓷介質(zhì)電容，瓷介質(zhì)電容器有超穩(wěn)定型：COG或NPO，穩(wěn)定型：X7R，和通用型：Y5V或Z5U共3種。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如下圖所示。 (3)溫度的影響電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 (4)電壓的影響 電容器的電容

28、量不僅隨著溫度變化，還會隨著工作電壓變化，這一點在實際工程中必須注意。不同介質(zhì)材料的電容器的電壓特性如圖5.24所示。從圖中可以看出，X7R電容器在額定電壓狀態(tài)下，其容量降為原始值的70%，而Y5V電容器的容量降為原始值的30%。 (4)電壓的影響電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 綜合考慮溫度和電壓的影響時，電容的變化如下圖所示。 綜合考慮溫度和電壓的影響時，電容的變化如下圖所示。電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件電容器的種類及選用 (1)按介質(zhì)材料分類云母電容器(CY)紙介電容器(CZ)陶瓷電容器(CC)塑料介質(zhì)電容器(CB和CL)電解電容器(CD)

29、(2) 按接入方式分類三端電容器 穿心電容器 片狀電容器 電容器的種類及選用 電容器使用注意事項 (1)注意電容器的耐壓 (2)注意環(huán)境溫度 (3)注意電解電容器極性 (4)注意電容器產(chǎn)生的干擾噪聲電容器的型號及容量表示法 電容器的型號一般由四部分組成。 第一部分：主稱(用字母C表示)。 第二部分：材料(用字母表示)，例如：Z紙介；Y云母；C瓷介；B聚苯乙烯；L滌綸；D鋁(電解)；A鉭(電解)。 電容器使用注意事項 第三部分：分類(一般用數(shù)字表示，個別類型用字母表示)，例如：電容器(云母、有機(jī)) 1，2非密封；3，4密封。 第四部分：序號(用數(shù)字表示)。電容器的單位以F、F、nF和pF表示。它

30、們之間的關(guān)系是l F103mF106F；1F103nF106pF。因此，1F10-6 F，1 nF10-9F，1 pF10-12F。國際電工委員會規(guī)定電容量的表示法為：m 代表 103, 代表10-6，n代表10-9，p代表10-12。用二位數(shù)字表示有效數(shù)字，再用一個字母表示數(shù)值的量級。如1p21.210121.2pF，220n22010-90.2210-60.22F，333.310-63.3F，2m22.210-3220010-62200F。 第三部分：分類(一般用數(shù)字表示，個別類型用字母表示)， 另一種表示方法是用3位有效數(shù)字表示電容量，最后用一個字母表示誤差。3位數(shù)字中的前兩位表示有效值

31、，第三位表示10n的n值，n = l8，特殊情況n9時，不表示109。而表示為 101。 例如，“102”表示10102 = l 000pF “103”表示10103 = 10 000pF = 0.0lF “223”表示22103 = 22 000pF = 0.022F “474”表示47104 = 470 000pF = 0.47F “159”表示15l01pF = l.5pF 有效數(shù)字后面的字母表示誤差值，由于制造電容的材料不同，誤差范圍也不同，有的誤差很大。 另一種表示方法是用3位有效數(shù)字表示電容量，最后用一個字4.3.2 電感實際電感的特性 一段導(dǎo)線就構(gòu)成了一個電感。要獲得較大的電感量

32、，需要將導(dǎo)線繞成線圈。線圈的芯材可以有兩種，一種是非磁性的(空氣)，一種是磁性的。磁性磁芯又有閉合磁路的和開放磁路的。 實際電感的等效電路、頻率特性如下圖所示。4.3.2 電感電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件4.3.3 鐵氧體EMI抑制元件鐵氧體的特性 導(dǎo)線穿過鐵氧體磁芯構(gòu)成的電感的阻抗雖然在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率上，其機(jī)理是完全不同的。鐵氧體的等效電路在低頻和高頻時是不同的。低頻時是一個電感，高頻時是隨頻率變化的電阻。 4.3.3 鐵氧體EMI抑制元件 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 當(dāng)穿過鐵氧體的導(dǎo)線中流過電流時，會在鐵氧體磁芯中產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁場的強(qiáng)度超過一

33、定量值時，磁芯發(fā)生飽和，磁導(dǎo)率急劇降低，電感量減小。因此，當(dāng)濾波器中流過較大的電流時，濾波器的低頻插入損耗會發(fā)生變化。高頻時，磁芯的磁導(dǎo)率已經(jīng)較低，并且高頻時主要靠磁芯的損耗特性工作，因此，電流對濾波器的高頻特性影響不大。鐵氧體的應(yīng)用 鐵氧體的應(yīng)用主要有以下3方面： (1)低電平信號應(yīng)用； (2)電源變換與濾波； (3)電磁騷擾抑制。 當(dāng)穿過鐵氧體的導(dǎo)線中流過電流時，會在鐵氧體磁芯中產(chǎn)生磁鐵氧體EMI抑制元件的應(yīng)用 鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于PCB、電源線和數(shù)據(jù) 線上。 (1)鐵氧體EMI抑制元件在PCB上的應(yīng)用 (2)鐵氧體EMI抑制元件在電源線上的應(yīng)用 (3)鐵氧體抑制元件在信號線上的應(yīng)用鐵

34、氧體EMI抑制元件的選擇 鐵氧體抑制元件有多種材料、形狀和尺寸供選擇。 為選擇合適的抑制元件，使其對噪音的抑制更有 效，設(shè)計者必須知道需要抑制的EMI信號的頻率 和強(qiáng)度、要求抑制的效果即插入損耗值以及允許 占用的空間，包括內(nèi)徑、外徑和長度尺寸。 鐵氧體EMI抑制元件的應(yīng)用 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EMI抑制元件的安裝 同樣的鐵氧體抑制元件，由于安裝的位置不同，其抑制效果會有很大區(qū)別。 在大部分情況下，鐵氧體抑制元件應(yīng)安裝在盡可能接近騷擾源的地方。這樣可以防止噪音耦合到其他地方，在那些地方噪音可能更難以抑制。但是在

35、I/O電路中，在導(dǎo)線或電纜進(jìn)入或引出屏蔽殼的地方，鐵氧體器件應(yīng)盡可能安裝在靠近屏蔽殼的進(jìn)出口處，以避免噪音在經(jīng)過鐵氧體抑制元件之前耦合到其他地方。還有一點要注意的是，鐵氧體磁管穿在電纜上后要用熱縮管封好。 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4.3.4 濾波連接器 電纜產(chǎn)生的輻射尤其嚴(yán)重。電纜之所以會輻射電磁波，是因為電纜端口處有共模電壓存在，電纜在這個共模電壓的驅(qū)動下，如同一根單極天線，如下圖所示。4.3.4 濾波連接器減小電纜上共模高頻電流的一個有效方法是在電纜的端口處使用低通濾波器，濾除電纜上的高頻共模電流。傳統(tǒng)上都是將濾波器安裝在線路板上的電纜端口處，如下圖所示。 減

36、小電纜上共模高頻電流的一個有效方法是在電纜濾波器的這種安裝方式有一個問題，就是經(jīng)過濾波后的信號線在機(jī)箱內(nèi)較長，容易再次感應(yīng)干擾信號，形成新的共模電流，導(dǎo)致電纜輻射。濾波連接器是解決這個問題的理想器件。濾波連接器的每個插針上有一個低通濾波器，能夠?qū)⒉遽樕系墓材ｋ娏鳛V掉。這些濾波連接器往往在外形和尺寸上與普通連接器相同，可以直接替代普通連接器。由于連接器安裝在電纜進(jìn)入機(jī)箱的端口處，因此濾波后的導(dǎo)線不會再感應(yīng)上干擾信號，如下圖所示。濾波器的這種安裝方式有一個問題，就是經(jīng)過濾波濾波連接器的優(yōu)點 (1)濾波連接器能夠?qū)㈦娎|中的干擾電流濾除，從而徹底消除電纜的輻射因素。 (2)濾波連接器抑制電纜輻射的效果

37、比屏蔽電纜更穩(wěn)定。 (3)使用濾波連接器后，可以降低對電纜端接的要求，避免使用價格昂貴的高質(zhì)量屏蔽電纜，從而降低成本。電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件使用濾波連接器的注意事項 (1)濾波器的接地 (2)所有針都要濾波 (3)屏蔽機(jī)箱試驗結(jié)果 我們在計算機(jī)上分別使用普通連接器和濾波連接器進(jìn)行輻射發(fā)射研究。從這些結(jié)果中可以看出，當(dāng)使用屏蔽機(jī)箱時，主要的輻射源是電纜。這時使用濾波連接器可以使輻射發(fā)射降低10dB30dB。 下圖左是測試環(huán)境的背景，以這個作為參考。右圖是計算機(jī)通過普通連接器連接上打印電纜時的寬帶發(fā)射。使用濾波連接器的注意事項 下圖是使用了濾波連接器后的輻射情況，可以看出，輻射已經(jīng)明顯減小。如果將電纜拔下，輻射的情況與下圖基本相同。因此，可以認(rèn)為電纜產(chǎn)生的輻射已經(jīng)基本消除。剩余的輻射是其他原因造成的，比如電源線的輻射。要消除這些剩余的干擾，需要更換一個性能更好的電源線濾波器。 電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件濾波連接器的選用 濾波連接器可分為以下幾種類型：電子產(chǎn)品電磁兼容和安規(guī)設(shè)計第4章課件 (1)經(jīng)濟(jì)型與普通型D型濾波器連接器 (2)高性能型與高密度D型濾波器連接器 (3)超高性能D型濾波器連接器 (4)軍用濾波器連接器 選用濾波連接器時，除了在選用普通連接器時要 考慮的因素外，濾波器的截止頻率也是一個重要 的參數(shù)。為了保證濾波器連接器能良好地接地， 在