滤波 的种种方式.doc

第4章 滤波
电磁骚扰可以在空间和电路中传播。对于空间中传播的电磁骚扰，可以通过屏蔽技术加以抑制；
而对于电路中传播的电磁骚扰，需要采用滤波技术加以抑制。
滤波有多种分类方法：
(1)按照滤波器的能量损耗特性：反射式滤波器和吸收式滤波器等。
(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

4.1 滤波器的特性
滤波器的技术指标包括插入损耗、频率特性、阻抗特性、额定电压、额定电流、外形尺寸、工作环境、可靠性等。
1．插入损耗（Insertion Losses）

定义： 插入损耗值越大对骚扰信号的抑制作用越强。
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。
频率特性可用中心频率、截止频率、最低使用频率和最高使用频率等参数描述。
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。
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。

4.2 反射式滤波器
反射式滤波器又称无损滤波器，其工作原理是在电磁信号传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，使大部分电磁能量反射回信号源处。
反射式滤波器采用电感L、电容C储能元件组成的无源网络。
有很好的频率选择特性，但容易产生谐振。
根据频率特性分为低通、高通、带通、带阻滤波器，低通滤波器是电磁兼容中最常用的滤波器。
低通滤波器的基本电路形式

在低通滤波器中：
电容的作用是通过并联一个低阻抗的通路，使骚扰电流分流，从而减小负载中的骚扰电流；
电感的作用是通过串联一个高阻抗，阻断骚扰信号的流通，从而减小负载上的骚扰电压。
当滤波器的频率特性不能满足要求时，可以采取多个滤波器级联的方法。
例子：对电路滤波，使负载端的干扰电压≤43dBμV

①在回路中串联340μH的滤波电感；
②在负载端并联1.8μF的滤波电容。

4.3 吸收式滤波器
吸收式滤波器又称有损滤波器，它采用有损耗的滤波元件，使骚扰信号的能量消耗在滤波器中，以达到抑制干扰的目的。
吸收式滤波可避免反射式滤波因寄生参数效应或阻抗不匹配引起的谐振，但其频率选择性较差。
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。
1．铁氧体磁心

用铁氧体材料制成环状磁心，与从中穿过的导线构成有损电感，可起到滤除高频电磁骚扰的作用。

铁氧体磁芯的阻抗由感抗和等效损耗电阻两部分组成
低频时主要取决于感抗，高频时铁耗成为阻抗的主要成分
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。
使用铁氧体磁心时，应注意以下几点：
(1)根据骚扰信号的频率范围，选择不同的磁心材料，如锰锌适于低频干扰，镍锌适于高频干扰；
(2)对不同场合，选择不同形状的磁心材料，如珠形、环形、多孔形、扁平夹条形、表面贴装型等，且磁心尺寸要与导线直径相配合；
(3)磁心在电路中的阻抗与所绕导线匝数有关，匝数多则阻抗大，但容易饱和，且线间分布电容大，对高频特性不利；
(4)当用于电源线差模滤波时，由于其工作电流较大，磁心容易饱和，因此，必须增大磁心截面及选择具有高饱和值的材料，或在两个半环之间留有一定间气隙。
2．抗干扰电缆
抗干扰电缆是将铁氧体材料填充在同轴电缆的内、外导体之间构成的有损同轴电缆，它具有很好的高频衰减特性，可以起到较好的滤波效果。

4.4 电磁干扰滤波器
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）。
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），而且还要抑制经任一根导线与地回路流通的骚扰信号（共模干扰）。

EMI滤波器的基本电路：6端网络

4.4.2 EMI滤波器的阻抗匹配问题
滤波器输入端的骚扰源阻抗ZS和输出端的负载阻抗ZL往往不能满足阻抗匹配条件。
为改善阻抗不匹配情况下的滤波效果，应跟据不同情况采用不同结构的滤波器。
一般原则是源、负载的低阻抗与串联电感相配合，高阻抗与并联电容相配合。
机理：当源、负载阻抗低时通过串联电感（高阻抗）可阻断骚扰信号的传输；当源、负载阻抗高时，串联电感（高阻抗）的阻断作用较小，而采用并联电容（低阻抗）可给骚扰信号提供一个低阻抗的分流通路，从而抑制骚扰信号的传播。

4.5 电源线滤波器
抑制设备的传导发射或提高对电网中骚扰的抗扰度
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；
是设备允许的最大电源压降，I为设备的额定工作电流，是电源频率。

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。 ； 为设备的额定电压，为设备允许的最大漏电流。

为满足上述要求，可使用共模扼流圈。

安装应注意的问题：
１．滤波器的安装位置 设备的入口/出口处
２．滤波器输入和输出引线的隔离 输入与输出分开
３．滤波器的接地 与设备外壳的大面积导电接触

用滤波器解决屏蔽体上的穿透对屏蔽效果的影响

4.6 滤波连接器
90% 的电磁兼容问题是由于电缆造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线。
电缆之所以会辐射电磁波，是因为电缆端口处有共模电压存在，电缆在这个共模电压的驱动下，如同一根单极天线。

安装问题：

1. 滤波连接器的优点
（1） 滤波连接器能够将电缆中的干扰电流滤除，从而彻底消除电缆的辐射因素。
（2） 滤波连接器抑制电缆辐射比屏蔽电缆更稳地。
（3） 使用滤波连接器后，可以降低对电缆端接的要求，避免使用价格昂贵的高质量屏蔽电缆，从而降低成本。
2. 使用滤波连接器的注意事项
（1） 滤波器的接地
（2） 所有针都要滤波
（3） 屏蔽机箱

4.6 元件非理想特性的影响
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。
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

电容值或电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高频滤波效果越差。
电容和电感的引线尽量短，应小于波长的1/100。
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
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。

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。

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。