第五章-電磁兼容-濾波

1電磁濾波技術(shù)

物理電子學(xué)路書祥研究生學(xué)位課－電磁兼容上節(jié)回顧傳導(dǎo)耦合電磁騷擾源傳播途徑電磁兼容設(shè)計(jì)電磁干擾分析電磁干擾測(cè)試電磁干擾防護(hù)基于路徑的方法基于場(chǎng)的計(jì)算方法網(wǎng)格法特征線法頻域法有限元邊界元法差分法模擬電荷法接地電磁屏蔽濾波保護(hù)設(shè)備電器安全電磁輻射人為：核電磁脈沖；電源質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化；靜電等自然：雷電；太陽風(fēng)暴；輻射等測(cè)試方法測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)5.1濾波器概述5.2濾波器分類、選用與設(shè)計(jì)5.3濾波器安裝5.1濾波器概述4切斷干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。信號(hào)濾波器電源濾波器

—作用55.1濾波器概述電磁干擾濾波器，即EMI濾波器，是抑制傳導(dǎo)干擾最有效的手段，它包括信號(hào)線濾波器和電源線濾波器：信號(hào)線濾波器允許有用信號(hào)無衰減通過，同時(shí)大幅衰減雜波干擾信號(hào)。

電源線濾波器又稱電網(wǎng)濾波器，它以較小的衰減把直流、50Hz、400Hz電源功率傳輸?shù)皆O(shè)備上，而大幅衰減經(jīng)電源

傳入的EMI信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受傷害。同時(shí)其又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止其進(jìn)入電網(wǎng)

污染電磁環(huán)境，危害其他設(shè)備。6顯然，當(dāng)時(shí)，IL大于零，IL越大，濾波效果越好5.1濾波器概述—評(píng)定指標(biāo)EMI濾波器不同于一般的低通濾波器，二者所關(guān)心的指標(biāo)、使用環(huán)境等是截然不同的：普通濾波器關(guān)心幅頻特性、相位特性、群延時(shí)和波形畸變等；EMI濾波器則更關(guān)心插入損耗、能量衰減和截止頻率。從使用環(huán)境來看，一般低通濾波器工作電平低、電流小、源端或負(fù)載特性單一；而EMI濾波器工作電壓高、電流大并且要能夠承受瞬時(shí)大電流的沖擊，其源端和負(fù)載特性隨工作環(huán)境不同變化較大。這些不同之處使得EMI濾波器的設(shè)計(jì)不能完全參照一般濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。7頻率范圍寬，過渡帶窄；阻抗不確定，變化范圍寬5.1濾波器概述—特點(diǎn)

85.2濾波器分類9

干擾濾波器多為低通濾波器

因?yàn)殡姶鸥蓴_大多頻率較高的信號(hào)，因?yàn)轭l率越高的信號(hào)越容易輻射和耦合

數(shù)字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，防止對(duì)其它電路產(chǎn)生干擾。

電源線上的雜波有較高頻率較高頻率較高時(shí)，雜散電容和電感之間的相互串?dāng)_嚴(yán)重105.2濾波器分類工作原理是把不需要的頻率成分反射回騷擾源，而讓需要的頻率成分的能量通過濾波器施加于負(fù)載。反射式濾波器通常由電抗元件(如電感器、電容器)組合構(gòu)成無源網(wǎng)絡(luò)。在通帶內(nèi)提供低的串聯(lián)阻抗和高的并聯(lián)阻抗，而在阻帶內(nèi)提供高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，對(duì)騷擾電流建立一個(gè)高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗通路。115.2濾波器設(shè)計(jì)反射式濾波器

低通濾波器類型12

C

TL反

電容并聯(lián)在要濾波的信號(hào)線與信號(hào)地線之間（濾除差模干擾電流）或信號(hào)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(hào)線上。

電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。

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。5.2濾波器設(shè)計(jì)插入損耗的估算13fco

=1/(2RpC)~Zs、ZL并聯(lián)CIL=20lg(CRp)ILIL=20lg(L/Rs)fco

=Rs/(2L）Zs、ZL串聯(lián)~ZsLZs

假設(shè)電感、電容是理想器件，這是不符合實(shí)際情況的

ZLZL5.2濾波器設(shè)計(jì)實(shí)際電容器的特性14ZC理想電容f引線長(zhǎng)1.6mm的陶瓷電容器

電容量

諧振頻率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.6

3300pF19.31100pF33680pF42.5330pF60實(shí)際電容1/2LCCL電感分量是由引線和電容結(jié)構(gòu)所決定的5.2濾波器設(shè)計(jì)克服電容非理想性的方法15

大容量

頻率衰減小電容大電容并聯(lián)電容小容量

美中不足：在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現(xiàn)電感特性（阻抗隨頻率升高增加），小電容呈現(xiàn)電容特性，實(shí)際是一個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會(huì)在某個(gè)頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致其阻抗為無限大，這時(shí)電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個(gè)頻率上有較強(qiáng)的干擾，就會(huì)出現(xiàn)干擾問題。若將大、中、小三種容值的電容并聯(lián)起來使用，會(huì)有更多的諧振點(diǎn)，濾波器在更多的頻率上失效。

簡(jiǎn)單的方案：大小電容并聯(lián)，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻。5.2濾波器設(shè)計(jì)三端電容器16引線電感與電容一起構(gòu)成了一個(gè)T形低通濾波器在引線上安裝兩個(gè)磁珠濾波效果更好地線電感起著不良作用三端電容普通電容30702060401GHz

三端電容（比較流行的方法）：一個(gè)電極上的兩根引線串聯(lián)在需要濾波的導(dǎo)線中。導(dǎo)線電感與電容構(gòu)成了一個(gè)T形濾波器，消除了一個(gè)電極上的串聯(lián)電感。三端電容比普通電容具有更高的諧振頻率和濾波效果。并可在三端電容兩個(gè)相連的引線上套兩個(gè)鐵氧體磁主，進(jìn)一步提高T形濾波器的效果。插入損耗5.2濾波器設(shè)計(jì)三端電容器的不足17寄生電容造成輸入端、輸出端耦合接地電感造成旁路效果下降

中間的接地線越短越好，避免兩側(cè)的引線的平行部分過長(zhǎng)，否則高頻濾波效果會(huì)打很大折扣。

制約著其高頻效果的兩個(gè)因素：寄生電容耦合，接地線的電感。三端電容的濾波效果一般在300MHz以下。5.2濾波器設(shè)計(jì)穿心電容更勝一籌18金屬板隔離輸入輸出端

一周接地，電感很小

接地電感?。寒?dāng)穿心電容的外殼與面板之間在360°的范圍內(nèi)連接時(shí)，連接電感是很小的。因此，在高頻時(shí)，能夠提供很好的旁路作用。輸入輸出沒有耦合：用于安裝穿心電容的金屬板起到了隔離板的作用，使濾波器的輸入端和輸出端得到了有效的隔離，避免了高頻時(shí)的電容耦合現(xiàn)象。

5.2濾波器設(shè)計(jì)穿心電容的插入損耗19穿心電容插入損耗頻率1GHz普通電容理想電容

穿心電容的阻抗接近理想電容，只是在某個(gè)頻率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷。5.2濾波器設(shè)計(jì)溫度對(duì)陶瓷電容容量的影響20125-309030%C0.15-0.150-551255-150-55-10-5COGX7R-6020-300Y5V%C%C

陶瓷電容濾波器是鈦酸鋁等陶瓷材料制成，其工作原理是利用陶瓷材料的壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)接信號(hào)，再將機(jī)接信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)接電信號(hào)。溫度的穩(wěn)定性差。按美國(guó)電工協(xié)會(huì)（EIA）標(biāo)準(zhǔn)，不同介質(zhì)材料的MLCC按溫度穩(wěn)定性分成三類：超穩(wěn)定級(jí)（工類）的介質(zhì)材料為COG或NPO；穩(wěn)定級(jí)（II類）的介質(zhì)材料為X7R；能用級(jí)（Ⅲ）的介質(zhì)材料Y5V5.2濾波器設(shè)計(jì)——陶瓷電容電壓對(duì)陶瓷電容容量的影響21COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100

%額定電壓（Vdc）%C5.2濾波器設(shè)計(jì)實(shí)際電感器的特性22

電感量（

H）

諧振頻率

(MHZ)3.4458.828685.7

1252.65001.2f

繞在鐵粉芯上的電感ZL理想電感實(shí)際電感1/2LCLC5.2濾波器設(shè)計(jì)電感寄生電容的來源23每圈之間的電容CTT導(dǎo)線與磁芯之間的電容CTC磁芯為導(dǎo)體時(shí)，CTC為主要因素，磁芯為非導(dǎo)體時(shí)，CTT為主要因素。5.2濾波器設(shè)計(jì)磁芯對(duì)電感寄生電容的影響24鐵粉芯(非導(dǎo)電）C=4.28pfC=3.48pf19%鐵氧體（錳鋅）C=51pfC=49pf4%

鐵粉芯作磁芯時(shí)，由于它不導(dǎo)電，不僅寄生電容很小，而且當(dāng)將繞線方式改為松散繞制時(shí)，電容下降了將近20%。用錳鋅鐵氧體作磁芯時(shí)，由于這種材料導(dǎo)電率較高，不僅電容量較大，而且與繞線方式關(guān)系不大。5.2濾波器設(shè)計(jì)

減小電感寄生電容的方法25起始端與終止端遠(yuǎn)離（夾角大于40度）盡量單層繞制，并增加匝間距離多層繞制時(shí)，采用“漸進(jìn)”方式繞，不要來回繞。如果磁芯是導(dǎo)體，首先：用介電常數(shù)低的材料增加繞組導(dǎo)體與磁芯之間的距離減小分布電容的繞制工藝然后：5.2濾波器設(shè)計(jì)

電感磁芯的選用26

錳鋅：

r=500~10000，R=0.1~100m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

空心線圈的電感量很小，使用導(dǎo)磁率較高的材料作磁芯可大大地增加電感量。

5.2濾波器設(shè)計(jì)

電感量與飽和電流的計(jì)算27SD1D2飽和電流：

Imax=BmaxS(D1-D2)/2L電感量：

L（nH）=0.2N2

rS(mm)ln(D1/D2)電感量廠家手冊(cè)給出廠家經(jīng)常給出每匝的電感量“AL”，則L（nH）=AL

N2當(dāng)電感磁芯發(fā)生飽和時(shí)，電感量變小，失去對(duì)干擾的抑制作用。若額定電流大于飽和電流（Imax），就會(huì)發(fā)生飽和，需要調(diào)整磁芯的尺寸，使額定電流小于Imax

5.2濾波器設(shè)計(jì)吸收式濾波器吸收式濾波器是由有耗器件構(gòu)成的，在阻帶內(nèi)吸收躁聲的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗，從而起到濾波作用。鐵氧體吸收型濾波器是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種低通濾波器。鐵氧體是一種由鐵、鏡、鋅氧化物混合而成，具有很高的電阻率，較高的磁導(dǎo)率(約為100一1500)磁性材料。低頻電流可以幾乎無衰減地通過鐵氧體，高頻電流卻會(huì)受到很大的損耗，轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā)。它可以等效為電阻和電感的串聯(lián)。電阻值和電感量都是隨著頻率而變化的285.2濾波器設(shè)計(jì)鐵氧體的相對(duì)導(dǎo)磁常數(shù)29磁性體材料誘電體材料High電

/High磁

材料e

100100101101102102103103104104105105

相對(duì)導(dǎo)磁常數(shù):ur相對(duì)介電常數(shù)5.2濾波器設(shè)計(jì)鐵氧體濾波機(jī)理30Z(f）Z(f)

RZL

在低頻，磁芯的磁導(dǎo)率較高，磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感。高頻：阻抗由電阻成分構(gòu)成。隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加。當(dāng)高頻信號(hào)通過鐵氧體時(shí)，電磁能量以熱的形式耗散掉。

5.2濾波器設(shè)計(jì)315.2濾波器設(shè)計(jì)

電源線濾波器32電源線的傳導(dǎo)騷擾電壓5.2濾波器設(shè)計(jì)335.2濾波器設(shè)計(jì)

共模干擾和差模干擾34

相－中/中－地＝共模電流，相－中＝差模電路

可看作獨(dú)立干擾來研究5.2濾波器設(shè)計(jì)35源端負(fù)載端5.2濾波器設(shè)計(jì)365.2濾波器設(shè)計(jì)375.2濾波器設(shè)計(jì)385.2濾波器設(shè)計(jì)395.2濾波器設(shè)計(jì)405.2濾波器設(shè)計(jì)415.3濾波器安裝425.3濾波器安裝信號(hào)濾波器的安裝位置43板上濾波器無屏蔽的場(chǎng)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(chǎng)合：在屏蔽界面上5.3濾波器安裝板上濾波器的注意事項(xiàng)44濾波器要并排安裝線路板的干凈地與金屬機(jī)箱或大金屬板緊密搭接為濾波設(shè)置干凈地在接口處設(shè)置檔板濾波器靠近接口5.3濾波器安裝面板上濾波的簡(jiǎn)易（臨時(shí)）方法45容量適當(dāng)?shù)拇善娙莼颡?dú)石電容，引線盡量短5.3濾波器安裝電纜濾波的方法46連接器屏蔽盒饋通濾波器5.3濾波器安裝面板安裝濾波器注意事項(xiàng)47濾波器與面板之間必須使用電磁密封襯墊！5.3濾波器安裝

使用

形濾波器的注意事項(xiàng)48濾波器接地阻抗預(yù)期干擾電流路徑實(shí)際干擾電流路徑5.3濾波器安裝

開