1電磁濾波技術(shù)

電氣工程系江濱浩研究生學(xué)位課－電磁兼容（6）濾波2濾波器的作用切斷干擾沿信號(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)濾波器電源濾波器濾波3

濾波器分類濾波4電磁干擾濾波器濾波5頻率范圍寬阻抗不確定頻率范圍寬，過渡帶窄；阻抗不確定，變化范圍寬濾波6顯然，當(dāng)時(shí)，IL大于零，IL越大，濾波效果越好濾波7

按頻率特性分類

濾波8衰減衰減衰減衰減低通帶通高通帶阻3dB截止頻率濾波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)重濾波10

低通/反射濾波器類型

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。濾波1120406080100

fc10fc100fc1000fc

5階

4階

3階

2階

1階20N/十倍頻程6N/倍頻程插入損耗dB過渡帶與器件數(shù)量的關(guān)系

每增加一個(gè)器件，過渡帶的斜率增加

20dB/十倍頻程，或

6dB/倍頻程。濾波12

確定濾波器階數(shù)50100欲衰減20dB46=2420至少4階濾波器10100120=201階濾波器就可以了為了保險(xiǎn)，可用2階欲衰減20dBL、C的數(shù)值決定截止頻率階數(shù)決定過渡帶的陡度濾波13

根據(jù)阻抗選用濾波電路

源阻抗

電路結(jié)構(gòu)

負(fù)載阻抗

高C、、多級(jí)

高

高

、多級(jí)

低

低

反、多級(jí)反

高

低L、多級(jí)L

低濾波14網(wǎng)絡(luò)解釋：濾波器看作二端口網(wǎng)絡(luò)，反射系數(shù)在輸入和輸出端分別為

規(guī)律：電容對(duì)高阻，電感對(duì)低阻

源阻抗

電路結(jié)構(gòu)

負(fù)載阻抗

高C、、多級(jí)

高

高

、多級(jí)

低

低

反、多級(jí)反

高

低L、多級(jí)L

低濾波15器件參數(shù)的確定LCRRL=R/2FCC=1/2RFC對(duì)于T形（多級(jí)T）和形（多級(jí)）電路，最外邊的電感或電容取L/2和C/2，中間的不變。巴特沃斯，切比雪夫，貝塞爾等方式－后論

濾波16插入損耗的估算fco

=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

ZLZL濾波17

形濾波電路：

IL=20lg[（

L/ZS）+LC

2]，

ZS>>ZL

反

形濾波電路：

IL=20lg[（

L/ZL）+LC

2]，

ZS<<ZL

；T形濾波電路：

IL=20lg[

2LC+（L2C

3+2

L）/（ZS+ZL）]ZS、ZL<50

；

形濾波電路

IL=20lg[

2LC+（LC2

3+2

C）ZSZL/（ZS+ZL）]ZS、ZL>50

；

反

濾波18實(shí)際電容器的特性ZC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巧用諧振點(diǎn)濾波19濾波20克服電容非理想性的方法

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。濾波21

三端電容器的原理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。衰減諧振頻率后移濾波22

三端電容器的不足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。濾波23

穿心電容更勝一籌金屬板隔離輸入輸出端

一周接地，電感很小

接地電感?。寒?dāng)穿心電容的外客與面板之間在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。

穿心電容的濾波范圍可以達(dá)到數(shù)GHz以上濾波24濾波25穿心電容的插入損耗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。濾波26溫度對(duì)陶瓷電容容量的影響125-309030%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。濾波27電壓對(duì)陶瓷電容容量的影響COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100

%額定電壓（Vdc）%C濾波28濾波29實(shí)際電感器的特性

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1/2LCLC濾波30濾波31電感寄生電容的來源每圈之間的電容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。CTCCTT濾波32磁芯/繞線方式對(duì)寄生電容的影響鐵粉芯(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。繞線方式濾波33

減小電感寄生電容的方法然后：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濾波34分組繞制：（要求高時(shí)，用大電感和小電感串聯(lián)起來使用）

總電容是兩寄生電容的串聯(lián)，總?cè)萘勘让慷蔚募纳萘啃‰姼蟹纸獬奢^大的電感和較小電感的串聯(lián)，使電感的帶寬擴(kuò)展。代價(jià)是體積和成本。并引入了額外的串聯(lián)諧振點(diǎn)。諧振點(diǎn)上阻抗很小。濾波35

電感磁芯的選用

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。

濾波36

電感量與飽和電流的計(jì)算SD1D2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（D1，2/S），使額定電流小于Imax

濾波37濾波38利用共模扼流圈避免電感飽和

這種電感只對(duì)共模干擾電流有抑制作用，而對(duì)差模電流沒有影響，因此叫共模扼流圈。寄生差模電感的好處：部分漏磁產(chǎn)生差模電感。寄生差模電感的存在可以對(duì)差模干擾有一定的抑制作用。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，可以將這種因素考慮進(jìn)來。

有意增加漏磁，利用差模電感濾波39濾波40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濾波41鐵氧體的相對(duì)導(dǎo)磁常數(shù)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)濾波42鐵氧體濾波機(jī)理Z(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。

濾波43濾波44濾波45

電源線濾波器電源線的傳導(dǎo)騷擾電壓濾波46濾波47

共模干擾和差模干擾

相－中（UPG），中－地（UN

G）——共模電流

IC，相－中（UPN）————差模電路ID

可看作獨(dú)立干擾來研究需同時(shí)濾波抑制濾波48電源線濾波器的基本電路共模扼流圈差模電容共模電容濾波49濾波50濾波51濾波52濾波53濾波54損耗頻率理想濾波器特性實(shí)際濾波器特性一般產(chǎn)品說明書上給出的數(shù)據(jù)是50

條件下的測(cè)試結(jié)果。30MHz越來越受到關(guān)注電源線濾波器的特性濾波55或精心繞制或多個(gè)電感串聯(lián)改善濾波器高頻特性的方法濾波56濾波57濾波58濾波59信號(hào)濾波器的安裝位置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：在屏蔽界面上濾波60板上濾波器的注意事項(xiàng)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濾波61面板上濾波的簡(jiǎn)易（臨時(shí)）方法容量適當(dāng)?shù)拇善娙莼颡?dú)石電容，引線盡