《滤波相关介绍》PPT课件.ppt

滤波的相关介绍 滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作 是是抑制和防止干扰的一项重要措施 电子设备的电源电路工作时会存在高频噪声 主要由于电源模块工作时的高频开关造成的 负载频繁变化也会导致噪声的产生 在PCB设计时使用大面积铺地 尽量增大供电线宽度能降低噪声 但采取这些措施也很难达到EMI 电磁干扰 的要求 因此在电源部分采用滤波措施是必须的 今天主要介绍几种滤波器件 1电容 工作原理在整流电路输出的电压是单向脉动性电压 不能直接给电子电路使用 所以要对输出的电压进行滤波 消除电压中的交流成分 成为直流电后给电子电路使用 单向脉动性直流电压可分解成交流和直流两部分 在电源电路的滤波电路中 利用电容器的 隔直通交 的特性和储能特性滤除电压中的交流成分 电容的等效模型为一电感 一电阻 和电容 的串联 电感 为电容引线所致 电阻 代表电容的有功功率损耗 电容为 因而可等效为串联 回路求其谐振频率 串联谐振频率 在谐振频率以下电容呈容性 谐振频率以上电容呈感性 因而一般大电容滤低频波 小电容滤高频波 注意点 1 电容对地滤波 需要一个较小的电容并联对地 对高频信号提供了一个对地通路 频率变大后 大于W0值时 电容变成了一个电感 如果电容对地滤波 当频率超出谐振频率后 对干扰的抑制就大打折扣 所以需要一个较小的电容并联对地2电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地 接的地干扰要小就是通常说的 静地 电容关于滤波电容 去耦电容 旁路电容作用 滤波电容用在电源整流电路中 用来滤除交流成分 使输出的直流更平滑 去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方 用来消除自激 使放大器稳定工作 旁路电容用在有电阻连接时 接在电阻两端使交流信号顺利通过 旁路电容 去耦电容 滤波电容等等 其实无论如何称呼 它的原理都是一样的 即利用对交流信号呈现低阻抗的特性 这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来 Xcap 1 2 fC 工作频率越高 电容值越大则电容的阻抗越小 在电路中 如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路 就称为旁路电容 如果主要是为了增加电源和地的交流耦合 减少交流信号对电源的影响 就可以称为去耦电容 如果用于滤波电路中 那么又可以称为滤波电容 除此以外 对于直流电压 电容器还可作为电路储能 利用冲放电起到电池的作用 在电子电路中 去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用 电容所处的位置不同 称呼就不一样了 对于同一个电路来说 旁路 bypass 电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象 把前级携带的高频杂波滤除 而去耦 decoupling 电容也称退耦电容 是把输出信号的干扰作为滤除对象 3电感工作原理 当流过电感的电流变化时 电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化 当通过电感线圈的电流增大时 电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反 阻止电流的增加 同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中 当通过电感线圈的电流减小时 自感电动势与电流方向相同 阻止电流的减小 同时释放出存储的能量 以补偿电流的减小 因此经电感滤波后 不但负载电流及电压的脉动减小 波形变得平滑 而且整流二极管的导通角增大 由纯电感电路中欧姆定律的表达式I U XL 和线圈的感抗公式XL 2 fL可知 感抗却跟通过的电流的频率有关 电感L越大 频率f越高 感抗就越大 电流就越小 所以电感线圈在电路中有 通直流 阻交流 或 通低频 阻高频 的特性 所以电感有滤波作用电容和电感的很多特性是恰恰相反的 电感的阻抗与频率成正比 电容的阻抗与频率成反比 所以 电感可以阻扼高频通过 电容可以阻扼低频通过 二者适当组合 就可过滤各种频率的信号 如在整流电路中 将电容并在负载上或将电感串联在负载上 可滤去交流纹波 共模电感的滤波电路 La和Lb就是共模电感线圈 这两个线圈绕在同一铁芯上 匝数和相位都相同 绕制反向 这样 当电路中的正常电流流经共模电感时 电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消 此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响 和少量因漏感造成的阻尼 当有共模电流流经线圈时 由于共模电流的同向性 会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗 使线圈表现为高阻抗 产生较强的阻尼效果 以此衰减共模电流 达到滤波的目的 对理想的电感模型而言 当线圈绕完后 所有磁通都集中在线圈的中心内 但通常情况下环形线圈不会绕满一周 或绕制不紧密 这样会引起磁通的泄漏 共模电感有两个绕组 其间有相当大的间隙 这样就会产生磁通泄漏 并形成差模电感 因此 共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力 在滤波器的设计中 我们也可以利用漏感 如在普通的滤波器中 仅安装一个共模电感 利用共模电感的漏感产生适量的差模电感 起到对差模电流的抑制作用 有时 还要人为增加共模扼流圈的漏电感 提高差模电感量 以达到更好的滤波效果 磁珠磁珠专用于抑制信号线 电源线上的高频噪声和尖峰干扰 还具有吸收静电脉冲的能力 磁珠是用来吸收超高频信号 像一些RF电路 PLL 振荡电路 含超高频存储器电路 DDRSDRAM RAMBUS等 都需要在电源都需要在电源输入部分加磁珠 铁氧体磁珠 FerriteBead 是目前应用发展很快的一种抗干扰组件 廉价 易用 滤除高频噪声效果显着 当导线中电流穿过时 铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗 而对较高频率的电流会产生较大衰减作用 高频电流在其中以热量形式散发 其等效电路为一个电感和一个电阻串联 两个组件的值都与磁珠的长度成比例 它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路 L和R都是频率的函数 当导线穿过这种铁氧体磁芯时 所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加 但是在不同频率时其机理是完全不同的 在低频段 阻抗由电感的感抗构成 低频时R很小 磁芯的磁导率较高 因此电感量较大 L起主要作用 电磁干扰被反射而受到抑制 并且这时磁芯的损耗较小 整个器件是一个低损耗 高Q特性的电感这种电感容易造成谐振 因此在低频段 有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象 在高频段 阻抗由电阻成分构成 随着频率升高 磁芯的磁导率降低 导致电感的电感量减小 感抗成分减小但是 这时磁芯的损耗增加 电阻成分增加 导致总的阻抗增加 当高频信号通过铁氧体时 电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉 磁珠与电感的区别磁珠由氧磁体组成 电感由磁芯和线圈组成 磁珠把交流信号转化为热能 电感把交流存储起来 缓慢的释放出去 因此说电感是储能元件 而磁珠是能量转换 消耗 器件 电感多用于电源滤波回路 磁珠多用于信号回路 磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰 而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰 两者都可用于处理EMC EMI问题 磁珠是用来吸收超高频信号 而电感是一种蓄能元件 用在LC振荡电路 中低频的滤波电路等 其应用频率范围很少超过50MHZ 地的连接一般用电感 电源的连接也用电感 而对信号线则常采用磁珠 滤波电路 滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 电容器C对直流开路 对交流阻抗小 所以C应该并联在负载两端 电感器L对直流阻抗小 对交流阻抗大 因此L应与负载串联 经过滤波电路后 既可保留直流分量 又可滤掉一部分交流分量 改变了交直流成分的比例 减小了电路的脉动系数 改善了直流电压的质量 电容滤波电路 单相桥式电容滤波整流电路 在负载电阻上并联了一个滤波电容C 滤波原理 D3导通 D2 D4截止 电流方向如图中箭头所示 电流一路流过负载RL 一路向电容C充电 充电极性为上正 下负 由于电源内阻及二极管导通电阻均很小 即充电时间常数很小 所以充电进行的很快 C两端的电压随很快上升到峰值 即 当由峰值开始下降时 充电过程结束 由于电容C两端的电压 这时 四只二极管均被反偏截止 电容C向负载RL放电 从而使通过负载RL的电流得以维持 放电时间常数RLC取值愈大 RL两端的电压下降愈缓慢 输出波形愈平滑 直到下一个半周到来 且 时 D2 D4才正偏道通 D1 D3仍截止 放电过程结束 又开始给C充电 如此周而复始的充电 放电 在负载RL上便得到如图2所示的输出电压 在刚过90 时 正弦曲线下降的速率很慢 所以刚过90 时二极管仍然导通 在超过90 后的某个点 正弦曲线下降的速率越来越快 二极管关断 RC LC 型滤波电路图 在整流电路输出的电压是单向脉动性电压 方向不变 大小变化的电流 不能直接给电子电路使用 所以要对输出的电压进行滤波 消除电压中的交流成分 成为直流电后给电子电路使用 但根据波形分解原理可知 这一电压可以分解一个直流电压和一组频率不同的交流电压 如图1 b 所示 在图1 b 中 虚线部分是单向脉动性直流电压U中的直流成分 实线部分是u中的交流成分 我们学要的就是直流部分 型RC滤波电路原理如下 1 这一电路的滤波原理是 从整流电路输出的电压首先经过C1的滤波 将大部分的交流成分滤除 然后再加到由R1和C2构成的滤波电路中 C2的容抗与R1构成一个分压电路 因C2的容抗很小 所以对交流成分的分压衰减量很大 达到滤波目的 对于直流电而言 由于C2具有隔直作用 所以R1和C2分压电路对直流不存在分压衰减的作用 这样直流电压通过R1输出 型LC滤波电路与 型RC滤波电路基本相同 这一电路只是将滤波电阻换成滤波电感 因为滤波电阻对直流电和交流电存在相同的电阻 而滤波电感对交流电感抗大 对直流电的电阻小 这样既能提高滤波效果