共模滤波器设计指南.docx

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1、共模滤波器设计指南共 模 滤 波 器 设 计 指 南 简介 选择共模滤波器的元件值不需要很复杂的过程。可使用标准过滤器排列来取得相对简单和直观的设计过程，虽然这些排列可能经过修改以使用预先定义好的元件值。 概述 线路滤波器防止在电子设备和AC线路之间产生过多噪音；一般而言 ，重点还是对AC线路的保护。图1显示了在AC线路和电源转换器之间使用共模滤波器的情况。共模噪音的运动方向是从负载端进入滤波器，这样两个线路共有的噪音得到很大衰减。最后，滤波器加到AC线路上的输出小到可以忽略不计。 图1 通用线路滤波 设计共模滤波器必须设计两个相同的差动滤波器。其中每个滤波器分别对应两极的线路，而每一边的感应

2、器分别耦合一个磁芯。 图2 共模感应器 对于差动输入电流，两个感应器之间的耦合净磁通量为0。 任何差动信号引起的自感应是两个滤波器耦合不好引起的。滤波器作为独立元件工作，其漏感对差动信号做出响应：漏感衰减了差动信号。 当感应器L1和L2收到接地的同一电极的相同信号，它们都会在共用的磁芯中产生一个非零的净通量。两个感应器于是作为独立元件工作，其共同的自感应对共同的差动信号做出响应：共同的自感应衰减了共同的差动信号。 一阶滤波器 设计最简单、最便宜的滤波器是一阶滤波器。这种滤波器使用单个反应元件来储存波谱能量的特定波段，而不将能量传递到负载。在低通共模滤波器中，使用的反应元件是共模线圈。 滤波器的

3、自感应值是用负载除以信号将衰减时及超过这一水平的角频率。例如，在50欧姆的负载中，当频率达到4000HZ或以上水平时候信号开始衰减，则需要使用1.99mH）的感应器。其相应的共模滤波器配置如下图： 图3 一阶共模滤波器 频率达到4000HZ时，衰减量为3dB，每增加8HZ，衰减6dB。由于最主要的感应器对一阶滤波器的依赖性，因此必须考虑线圈自感应的变动。例如，额定自感应值变动20%意味着名义33dB， 4000HZ的频率其实际范围在3332-4999HZ。典型做法是规定共模滤波器的自感应值为最小值，这样就保证了交叉频率不会升得太高。但是，在选择一阶低通滤波器的线圈时要加以注意，因为比典型和最小

4、值高得多的自感应值可能限制线圈可使用的衰减波段。 二阶滤波器 二阶滤波器使用两个反应元件，它与一阶滤波器相比有两个优势：1）理论上，二阶滤波器在切断点后每增加8HZ，衰减12dB。2）它在超过感应器自身的共振频率的情况下提供更大的衰减。 图4 二阶共模低通滤波器分析 二阶滤波器的设计与一阶滤波器相比，需要更加注意和分析，从而在截止点处获得适当的响应。而对于前文提到的更高频率的情况关注就少一些。 高阶滤波器操作中的一个关键因素是在角频率下的衰减特征。假设滤波器的元件都是紧密耦合的，线圈自身的耦合也是合理的，则截止点处的插入损耗可能非常大，而且，定时响应也会很慢且摇摆不定。另一方面，交叉点的插入损

5、耗可能低于预计的-3dB，这样瞬间响应很不错，而在角频率及其下的频率响应会小于理想的平滑水平。 设计二阶滤波器的时候，阻尼系数既能描述某一角频率下的插入损耗，也能说明滤波器的定时响应。图5是各种阻尼系数对应的频率/插入损耗图。 图5 各种阻尼系数对应的二阶频率响应 随着阻尼系数变小，在该角频率下的插入损耗变大，理想的0阻尼限值是无穷大的插入损耗。真实元件的内在寄生效应减少了理想元件的插入损耗预期。但在接近关键截止点的范围内，裁剪频率响应仍然是理想滤波器参数的有效功能。 对某些滤波器而言，可能需要维持设计和阻尼特征以满足特定的性能要求。然而，对于很多真正的电源线滤波器，阻尼系数为1并且截止频率与

6、计算的理想值相差不超过8HZ，则该滤波器可以提供适当的滤波。 下面是二阶低通滤波器设计的例子： 1 确定要求的截止频率 举个例子说，假如我们有一款开关电源，在60K HZ的频率下，比预期应用所允许的噪音高出24dB，那么对于二阶频率滤波器，则期望的角频率为15K HZ。 2 确定截止频率下的负载电阻：假设RL为50欧姆。 3 选择期望的阻尼系数： 选择最小值0.707，这样在角频率下既能提供3dB的衰减，也能对滤波器响声进行适当控制。 4 计算要求的元件值： 5 选择可用的元件 C=0.05F(比设计数值缩小300%，仍满足UL478/CSA C22.2 No. 1标准中对漏电流要求的最大标准

7、电容值) L=2.1mH。 6 计算真实频率，阻尼系数和所选择元件的衰减： =2.05 衰减=12dB/8HZ16HZ=24dB 7 最后得到的滤波器即为图4中的滤波器，其主要参数为： L=2.1mH，C=0.05mF，RL=50。 备注：阻尼系数如果比1大很多，可能引起不可接受的以低频率进行高衰减，而如果阻尼系数比0.707小很多，可能造成不必要的响声，滤波器自身也可能产生噪音。 三阶滤波器 理论上讲，三阶滤波器在截止点以上每增加8HZ，衰减18dB。这是多阶滤波器优势最明显的方面。最大的劣势是成本问题，因为现在需要三个反应元件。一般而言，超过三阶的滤波器由于成本高，一般很少使用。 图6 三

8、阶共模低通滤波器分析，其中1 ,2,和4与0 同步，频率均为-3dB。 图7 前三阶低通滤波器及其Butterworth 排列 普通滤波器的设计早就采用了标准排列技术，如Butterworth 排列。图6是对三阶低通滤波器的Butterworth排列的一般分析和元件关系。Butterworth排列提供固有的=0.707，并且在交叉频率下其衰减为-3dB。前三阶低通滤波器的Butterworth 排列如图7所示。 线路滤波器的实际不需要严格地依据Butterworth排列；而且，由于电子设备的漏电限制，因而经常需要对排列进行调整，但可以按下述方法简化： 1 首先设计一个二阶滤波器，阻尼系数0.5

9、。 2 在二阶滤波器和噪音负载之间加入第三极： L=R/ 此处的fc为预期的角频率。 设计程序 以下的例子确定了三阶滤波器所要求的元件值 1) 列出预期的角频率、负载电阻 选择fc=15000HZ RL=50。 2) 设计一个二阶滤波器，其=0.5。 3）设计第三极：RL/=L2 代入数字：50/=0.531mH 4）选择可用的元件并检查得到的截止频率和衰减： L2=0.508mH Fn=R/(2l1)=15665HZ 60KHZ情况下的衰减为24dB+2.9dB/8HZ48HZ=41.4dB 5）最后得到的滤波器即为图6中的滤波器，其主要参数为： L1=2.1mH，L2=0.508mH，RL=50。 结论： 可以使用滤波器的转换功能系数来计算特定滤波器的排列，以取得特定阻尼系数。 按部就班的设计程序可以使用标准滤波器排列，这样就不用计算关键滤波器的阻尼系数。因其自身具有的的独特要求和非关键特征，线路滤波器使用最小可允许的阻尼系数更容易设计。 标准滤波器排列假定使用理想的滤波器元件，但这不一定正确，特别是在频率较高的情况下。对于非理想情况下的共模滤波感应器的应用情况，请参阅coilcraft公司的文件“共模滤波感应器分析”。