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1、第 4 章 滤 波,4.1 滤波器的特性4.2 反射式滤波器4.3 吸收式滤波器 4.4 电磁干扰滤波器4.5 电源线滤波器4.6 元件非理想特性的影响,滤波技术(Filtering Technique)是抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要辅助措施。滤波的实质是将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分量两个频段，剔除干扰频率分量部分。,在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量可以很容易地通过，在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。因此，凡与需要传输的信号频率不同的骚扰，都可以采用滤波器加以抑制。,滤波器有多种分
2、类方法：,(2)按照在电路中的位置和作用：信号滤波、电源滤波、EMI滤波、电源去耦滤波和谐波滤波。,(3)按照电路中是否包含有源器件：无源滤波和有源滤波。,(4)按照频率特性：高通、低通、带通、带阻滤波。,(1)按照滤波器的能量损耗特性：反射滤波器和损耗滤波器等。,4.1 滤波器的特性1、插入损耗（Insertion Losses）描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，滤波器滤波性能的好坏主要是由插入损耗决定的。插入损耗的定义是:,IL越大，对骚扰抑制越？,2、频率特性,滤波器的插入损耗随频率的变化即为频率特性。,信号无衰减地通过滤波器的频率范围称为通带，而受到很大衰减的频率范围称为阻带。根据
3、频率特性，可把滤波器大体上分为四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。表4-1给出了这四种滤波器的频率特性曲线。滤波器的频率特性又可用中心频率、截止频率、最低使用频率和最高使用频率等参数反映。,表4-1 滤波器的频率特性,3 阻抗特性,滤波器的输入阻抗、输出阻抗直接影响其插入损耗特性。在许多使用场合，出现滤波器的实际滤波特性与生产厂家给出的技术指标不符，这主要是由滤波器的阻抗特性决定的。因此，在设计、选用、测试滤波器时，阻抗特性是一个重要技术指标。,在使用EMI滤波器时，应保证在输入、输出最大限度失配的情况下，有合乎要求的最佳抑制效果。,4 额定电压,滤波器工作时允许的最高电压
4、。若输入滤波器的电压过高，会使滤波器内部的元件损坏。,5 额定电流,滤波器工作时，不降低插入损耗性能的最大使用电流。一般情况下，额定电流越大，滤波器的体积、重量和成本越大；使用温度越高，工作频率越高，其允许的工作电流越小。,4.2 反射式滤波器反射式滤波器是指由电感器和电容器组成的,能阻止无用信号通过,并把它们反射回信号源的滤波器。其种类有四种:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。,1.低通滤波器低通滤波器是指低频通过、高频衰减的一种滤波器。,电磁兼容设计中，低通滤波器用得最多，因为：电磁干扰大多是频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合。数字电路中许多高次谐波是电路工作
5、所不需要的，必须滤除，防止对其它电路产生干扰。电源线上的滤波器都是低通滤波器。,(1)并联电容低通滤波器 如图4-2所示,如果源阻抗和负载阻抗相等,则插入损耗为：(4-2)式中:IL插入损耗(dB);f工作频率(Hz);R源或者负载阻抗();C滤波电容(F)。,IL10 lg1+(f RC)2(dB),图 4-2 并联电容低通滤波器,(2)串联电感低通滤波器 如图4-3所示,源阻抗和负载阻抗相等时,插入损耗为(4-3)式中:IL插入损耗(dB);L滤波电感(H)。,图 4-3 串联电感低通滤波器,(3)L型低通滤波器(L-Section Filter)L型低通滤波器的电路结构如图4-4所示。,
6、(4)型滤波器(-SectionFilter)型低通滤波器的线路如图4-5所示。在宽波段内具有高的插入损耗,体积也较适中。当源阻抗与负载阻抗都为R时,其插入损耗为,(4-5),图 4-5 型低通滤波器,型滤波器抑制瞬态干扰不是十分有效。采用金属壳体屏蔽滤波器能够改善型滤波器的高频性能。对于非常低的频率，使用型滤波器可提供高衰减，如屏蔽室的电源线滤波。,(5)T型低通滤波器 T 型低通滤波器的线路如图4-6所示。当源阻抗和负载阻抗均为R时,插入损耗为：,(4-6),图 4-6 T型低通滤波器,T型滤波器能够有效地抑制瞬态干扰，主要缺点是需要两个电感器，使滤波器的总尺寸增加。,2.高通滤波器在降低
7、电磁干扰上,高通滤波器虽不如低通滤波器应用广泛,但也有用途。常被用于从信号通道上滤除交流电源频率或抑制特定的低频外界信号。,图4-8 低通滤波器向高通滤波器的转换,3.带通滤波器带通滤波器是对通带之外的高频或者低频干扰能量进行衰减，允许通带内的信号无衰减地通过。带通滤波器电路结构如下图所示。带通滤波器并接于干扰线和地之间,以消除电磁干扰信号,达到兼容的目的。,4.带阻滤波器带阻滤波器是指用于对特定窄频带(在此频带内可能产生电磁干扰)内的能量进行衰减的一种滤波器,带阻滤波器通常是串联于干扰源与干扰对象之间,带阻滤波器结构如下图所示。,表4-1 滤波器的应用选择,规律：电容对高阻，电感对低阻,吸收
8、式滤波器是由有耗元件构成的,它通过吸收不需要频率成分的能量(转化为热能)来达到抑制干扰的目的。,吸收式滤波器采用铁氧体材料或其他有损耗材料，将导线穿过或缠绕在各种形状的铁氧体材料上，利用其电感及磁场涡流损耗阻断骚扰信号的传播。,对于反射式滤波器，当滤波器的输入阻抗和源阻抗不匹配时，一部分有用信号的能量将被反射回源，这导致干扰电平的增加而不是减少，因而导致了吸收式滤波器的研制、应用。,4.3 吸收式滤波器,1）电缆滤波器 将铁氧体材料填充在电缆里可以制成电缆滤波器。电缆滤波器的特点是体积小，具有理想的高频衰减特性，只需较短的一段有耗电缆就可以获得预期的滤波效果。,2）铁氧体磁环 管状铁氧体磁环提
9、供了一种抑制通过导线的不需要的高频骚扰的既简便又经济的方法。当导线穿过磁环时，在磁环附近的一段导线将具有单匝扼流圈的特性，低频时具有低阻抗。这个阻抗随着流过电流的频率的升高而增大，在一个宽的高频带内，具有适中的高阻抗,以抑制高频电流的通过。因此，用铁氧体磁环可以构成低通滤波器。,电感磁芯的选用：,铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯,铁氧体：最常用,锰锌：r=500 10000，R=0.1100m,镍锌：r=10 100，R=1k 1Mm,超微晶：r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心,铁氧体磁心具有很好的高频骚扰抑制能力，被制成各种形状及大小，广泛应用于各种电子产品。,低频时
10、主要取决于感抗，高频时铁耗成为阻抗的主要成分,不同的铁氧体抑制材料,有不同的最佳抑制频率范围,与初始磁导率有关。通常材料的磁导率越高,适用抑制的频率就越低。,磁导率 最佳抑制频率范围 125 200 MHz 850 30200 MHz 2500 1030 MHz 5000 10 MHz 在有直流或低频交流情况下,要考虑到抑制性能的下降和饱和,尽量选用磁导率低的材料。,铁氧体抑制元件选择的原则是,在使用空间允许的条件下,选择尽量长、尽量厚和内孔尽量小的铁氧体抑制元件。,铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，高频的阻抗越小。
11、另外，一般导磁率高的铁氧体材料介电常数较高，当导体穿过时，形成的寄生电容较大，这也降低了高频的阻抗。,铁氧体磁环的尺寸确定：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，尽量使用体积较大的磁环。,共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。例：某设备有两个超标辐射频率点，一个是为40MHz，另一个为900MHz。经检查，确定是电缆的共模辐射所致。在电缆上套一个磁环（1/2匝），900MHz的干扰明显减小，不再
12、超标，但是40MHz频率仍然超标。将电缆在磁环上绕3匝，40MHz干扰减小，不再超标，但900MHz超标。怎样解决这个问题？,电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为寄生电容增加的缘故。偏置电流的影响：当穿过铁氧体磁环的导体上有电流时，铁氧体的阻抗会减小，适当增加磁环的长度可以弥补这个损失。由于铁氧体磁环主要对高频干扰其抑制作用，而高频干扰一般为共模干扰，因此在使用时，将载有电流及其回流的导线对同时穿过铁氧体，就可以避免电流偏置，同时对共模干扰电流的衰减作用没有改变。铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁
13、环要尽量靠近机箱的电缆进出口。与电容式滤波连接器一起使用效果更好：由于铁氧体磁环的效果取决于原来共模环路的阻抗，原来回路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了电容式滤波连接器时，其阻抗很低，磁环的效果更明显。,穿心电容实质上是一种三端电容，一个电极与芯线相联，另一个电极与外壳相联。使用时，一个电极通过焊接或螺装的方式直接安装在金属面板上，需要滤波的信号线连接在芯线的两端。穿心电容的滤波范围可以达到数GHz以上。,3）穿芯电容器,插入损耗,频率,1GHz,普通电容,理想电容,穿心电容,穿心电容的阻抗接近理想电容，只是在某个频率会出现一个凹陷。,穿芯电容器与铁氧体磁环结合构成的
14、高频滤波电路，常用于抑制电源线上的共模高频干扰。例如，电动机的控制线路中，由电动机碳刷滑动接触发射的高频辐射和传导干扰，将向外辐射或者通过接线端传导至低电平电路。为防止辐射干扰，应采用金属屏蔽体将电动机屏蔽，然后将穿芯电容器和磁环连接于导线上以抑制电动机产生的传导干扰，如图8-14所示。,用于抑制电磁骚扰在电路中传播的滤波器统称为电磁干扰滤波器（EMI滤波器），也有的称为射频干扰滤波器（RFI滤波器）。,4.4 电磁干扰滤波器,EMI滤波器通常是由串联电感和并联电容组成的低通滤波器。,4.4.1 EMI滤波器的基本电路结构,EMI滤波器不但要抑制经两根导线流通的骚扰信号（差模干扰），而且还要抑
15、制经任一根导线与地回路流通的骚扰信号（共模干扰）。,差模干扰和共模干扰,EMI滤波器的基本电路,信号滤波器的安装位置,板上滤波器,无屏蔽的场合,滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端。,有屏蔽的场合：在屏蔽界面上,抑制设备的传导发射或提高对电网中骚扰的抗扰度。,4.5 电源线滤波器,除了要考虑源阻抗和负载阻抗的匹配外，电源线滤波器的串联电感和并联电容选值受到一定限制。,串联电感L值不能取得太大，否则会产生较大的电源压降，影响正常供电；,接地的并联电容值也不能取得太大，否则对地漏电流增加，可能会超出限值而影响人身安全或引起漏电保护。,电力电源线携带的电磁骚扰分为两类：共模电流/电压、差模电流
16、/电压。共模干扰(Common-modeInterference)定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰(Differential-modeInterference)定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。因此，参考图4-16所示的三根导线，共模电压Uc和差模电压Ud为(4-6),图4-16 共模和差模干扰,(4-7)式中：UPG是相线(Phase Wire)与地线(Ground Wire)之间的电压；UNG是中线(Neutral Wire)与地线之间的电压。由图4-16可见，来自源经相线和中线的差模干扰电流Ic经地线离开负载返回，来自源经相线的差模干扰电流Id经中线
17、离开负载返回。,任何电源系统内的传导骚扰，都可用共模骚扰和差模骚扰来表示，并且可以将相线-地线、中线-地线间/上的共模骚扰信号，相线-中线间/上的差模骚扰信号，看作独立的骚扰源，将相线-地线、中线-地线和相线-中线看作独立网络端口，以便分析骚扰信号和相关的滤波网络。,为满足上述要求，可使用共模扼流圈。,共模扼流圈,共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。,安装应注意的问题：,滤波器的安装位置 设备的入口/出口处,滤波器的接地 与设备外壳的大面积导电接触,滤波器输入和输出引线的隔离 输入与输出分开,用滤波器解决屏蔽体上的穿透对屏蔽效果的影响,电源线滤波器的错误安装,PCB,滤
18、波器,滤波器,输入线过长,输入、输出耦合,PCB,电源线滤波器的错误安装,滤波器,绝缘漆,PCB,滤波器通过细线接地，高频效果很差！,接地线,滤波器的正确安装,滤波器,PCB,滤波器直接接地尽量短 输入、输出线隔离,滤波器安装在线路板上时，在电源线入口处增加一只高频共模滤波器,电源,PCB,滤波电路,电缆线对高频骚扰具有天线作用，通常是在电缆线端口处并联电容滤波。,4.6 元件非理想特性的影响,有时滤波效果并不好，源于滤波电路及元件并非是理想情况，存在各种寄生参数，影响了滤波效果。,1元件的非理想特性,电容器模型 电感器模型,引线长1.6mm的陶瓷电容器,实际电感器的特性,ZL,理想电感,实际
19、电感,f,绕在铁粉芯上的电感,1/2 LC,L,C,电感寄生电容的来源,每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容CTC,磁芯为导体时，CTC为主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。,为改善电容器实际特性的影响，常将一个高频性能好的小电容与一个大电容并联使用。,2互感的影响,为减小互感，可缩短电容引线长度、改变电路走线、采用四引线电容、采用表面安装电容等。,并联电容滤波时，高频滤波效果比设想的差，是因为并联电容两侧的回路之间存在互感。,3电容回路的电感,印制电路板上的电源平面和地平面之间、集成电路旁边经常接滤波电容器，以抑制器件驱动时产生的电压脉动，电容器的电荷释放受到电感的限制。,电感除了电容器的寄生电感外，还包括回路电感。,为减小回路电感，滤波电容应尽量靠近集成电路，或使用电源平面和地平面间距较小的电路板。,4穿心电容和馈通滤波器,对于电缆线的滤波，如果与屏蔽体相配合，可采用穿心电容和馈通滤波器。,穿心电容通常安装在设备的导电外壳上，电容壳外与接地的设备壳360连接，电容两侧回路的互感几乎为零，滤波效果大大提高。,馈通滤波器是以穿心电容为基础，结合电感构成的滤波电路。,馈通滤波器可安装在屏蔽体表面，使导线经馈通滤波器进出屏蔽体；安装在线路板上，用印制电路板的地线层做隔离层和接地层；安装在电路之间的隔离板上。,
