课程阅读：滤波技术及应用VIP

滤波技术及其应用 滤波是抑制传导干扰的主要手段。由于干扰频谱成份不同于有用信号的频谱，滤波器对于这些与有用信号不同的成份具有良好的抑制能力，从而起到其他干扰抑制方法难以起到的作用。滤波器是一种将输入信号变换成规定的输出信号的装置。在频域内研究，滤波器相当于一种频率选择装置，它让某些频率的信号通过，而使其它频率的信号受到衰减。1. 滤波技术的基本用途滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。对干扰源实施滤波，是为了预防不希望的电磁振荡沿着与设备相连的任何外部连接线传播到设备；而对敏感设备实施滤波则应消除沿上述连接线作用在敏感设备上的干扰影响。需要实施滤波的情况主要有以下几种：（1） 在高频系统中，为了抑制工作频带以外的任何频带上的干扰；（2） 在各种信号电路中，为了消除频谱成分不同于有用信号的干扰信号；（3） 在电源电路、控制电路以及转换电路中，为了消除沿这些电路的干扰作用。 对于复频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围成为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。滤波技术是抑制电磁干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源电磁干扰（EMI）信号的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。2滤波器的主要特性一般常见的滤波器串接在信号源与接收电路之间，可等效成四端网络。滤波电路的一般结构如下图所示。图中的表示输入信号，为输出信号。滤波器的主要特性参数有：额定电压输入滤波器的最高允许电压值；额定电流在额定电压和规定的环境温度条件下，滤波器所允许的最大连续工作电流；频率特性是描述滤波器选择性或对干扰抑制功能的参数，通常用中心频率f0、截止频率fc以及上升和下降斜率表示；输入输出阻抗对信号选择滤波器虚考虑阻抗匹配；插入损耗L(dB)=20lg(U1/U2)滤波器的插入损耗是不加滤波器时从噪声源传递到负载的噪声电压与接入滤波器时负载上的噪声电压之比。滤波器最重要的特性是插入损耗的大小随工作频率的不同而变化，这种特性称为滤波器的频率特性。抗干扰滤波器与通常的信号滤波器之间有着概念上的区别。信号滤波器是在阻抗匹配的条件下工作。即通过滤波器要保持输入与输出信号振幅不变为前提，将其中部分频域作预期的处理和变换。而EMI滤波器用于抑制进入设备与出自设备的电磁干扰具有双向抑制性。因此这就要求EMI滤波器的端口处与设备能产生最大失匹。这样才能使滤波器对电磁干扰的衰减等于自身网络的衰减再加上输入和输出端口所产生的反射。从电学角度来说只有阻抗不匹配的条件下才能在滤波器内产生最大的吸收(或损耗)，即滤波器插入损耗。EMI滤波器主要是消除或降低传导干扰。实际上传导干扰又有共模和差模之分。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰（指地线与相线干扰信号，线间的相位相同、电位相等）；共模干扰在导线与地(机壳)之间传输，属于非对称性干扰（相线间干扰信号相位差180度）。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，除抑制干扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。一般设备的工作频率约为1050 kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10 kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果。3滤波器的分类滤波器可以按许多方法分类。（1）通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。 信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。 电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。（2）根据其滤波机理可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。反射式滤波器是由电感、电容等器件组成，在滤波器阻带内提供了高的串联阻抗和低的并联阻抗，使它与噪声源的阻抗和负载阻抗严重不匹配，从而把不希望的频率反射回噪声源。反射式滤波器包括低通、高通、带通和带阻等几种类型。其中电源滤波器是多级低通滤波器级联的一个实例。它的作用往往是双向的，不仅可以阻止电网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产生的噪声污染电网。电力有源滤波器是一种主动式的谐波电流和功率因数补偿装置。现有的电力有源滤波器主要 有基于传统电路理论计算方法的电力有源滤波器和基于瞬时无功功率理论的电力有源滤波器。这两种电力有源滤波器都存在当负载或电网状态发生变化时不能自适应调整参数等问题。目前已有人将自适应滤波理论应用于对谐波电流和基波无功电流的检测。反射式滤波器的缺点是当它和信号不匹配时，一部分有用能量将被反射回信号源，从而导致干扰电平的增加。在这种情况下，可使用吸收式滤波器来抑制不需要的能量使之转化为热损耗，而仍保证有用信号顺利传输。吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。吸收式滤波器一般做成介质传输线型式，铁氧体吸收型滤波器是目前发展较快的一种。如把吸收式滤波器和反射式滤波器串接起来，就可以更好地抑制高频干扰。按此方式构成的滤波器，既有陡峭的频率特性，又有很高的阻带衰减。（3）按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器通常可以分为以下几类：低通滤波器这种滤波器它的通带是从0到某个频率,而对大于的所有频率则完全衰减，因此其带宽BW=。高通滤波器这种滤波器的通带是从某个频率到无穷，阻带是从0到。带通滤波器这种滤波器的通带是从某个频率到，因此带宽为BW=。带阻滤波器这种滤波器的阻带是从某个频率到，它的功能是衰减从到的信号。全通滤波器这种滤波器的幅度对于所有的频率都是1。这类滤波器主要用于补偿相位和移相。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。上面介绍的是滤波电路的理想情况，进一步讨论会发现，各种滤波电路的实际频响特性与理想情况是有差别的，设计者的任务是力求向理想特性逼近。（4）按处理的是连续信号还是离散信号可分为模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器是用来处理模拟的或连续时间的信号；数字滤波器是用来处理数字信号（具有量化幅度电平的离散时间信号）。模拟滤波器又可分为集总的或分布参数的滤波器，这取决于滤波器的频率范围。最后，模拟滤波器还可以分为无源的或有源的滤波器，这取决于实现滤波器时采用的元件类型。60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R,C组成的有源滤波电路，具有不用电感，体积小 ，重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，这是它的不足之处。4典型滤波器的构成与原理（1） 低通滤波器低通滤波器对低频信号几乎无衰减地通过，但阻止高频信号通过。在抗干扰技术中，使用最多的是低通滤波器，它可以用于交流、直流电源线路，也可用于放大器电路和发射机输入输出电路，具有衰减脉冲噪声、尖峰噪声，减少谐波和其他杂波信号等多种功能。*阻带范围相同的滤波器级联可以增加阻带内的衰减，阻带范围不同的滤波器级联可以扩展阻带的频率范围。多级滤波器的另一个优点是其滤波性能受两端负载阻抗的影响较小。最常用的低通滤波器电路有三种，即巴特沃思（Butterworth）,切比雪夫（Chebyshev）和贝赛尔（Bessel）滤波电路。巴特沃思滤波电路的幅频响应在通带中有最大平坦度，但从通带到阻带衰减较慢；切比雪夫滤波电路能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波。而贝塞尔滤波电路着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群时延基本是恒定的，可得失真较小的波形。这里介绍一种最简单也是最常用的滤波电路巴特沃思滤波电路（又叫最平幅度滤波电路）。这种滤波电路对幅频响应的要求是：在小于截至频率的范围内，具有最平幅度的响应，而在大于后，幅频响应迅速下降。巴特沃思低通滤波电路方程式及多项式对于低通滤波电路来说，3db截至角频率。因此可得n阶低通滤波电路幅频响应的一般形式因为是偶次函数，所以w/w的奇次幂不会出现。考虑到在w/w1时，巴特沃思低通滤波电路的幅频响应是平坦的。而在w/w1时，主要是w/w的低次项对分母起作用而使下降。如果只与w/w的高次项有关，则能较好的满足上述条件。因此上式可写成这就是巴特沃思低通滤波电路的特性方程。（2） EMI滤波器的结构 常见EMI滤波器主要由电感、电容、电阻等集中参数元件组成的无源网络，如下图所示。在进行ED0滤波器的设计时，CI与Cy电容的选用在容量、耐压及安全等级上要求较高，因为这直接影响滤波器的安全性能。 图中：C：抗差模电容，用于减小差模干扰 Cy抗共模电容，用于减小共模干扰 R用于消除滤波器上可能出现的静电积累L由两只绕在同一个磁环上的因数相同，绕向相反的线圈组成。因为两只线圈在电流通过时产生的磁通是相互抵消的，具有良好的电源滤波效果，不会使磁环磁饱和。(3) 电源线滤波器电源线滤波器可以降低来自供电电网的电磁干扰，也有助于降低电源阻抗，从而降低负载感应扰动的幅值。多数电源线滤波器是由无源的集总参数元件构成的。这种滤波器的体积比较大，也比较笨重。而用固态元件构成的有源滤波器，则可以提供数值很大的电感量和电容量，且其体积和重量也非常小。此外，这种有源器件可以有效地工作于很低的阻抗量级，所以，即使在电源频率附近，仍具有良好的调整特性。有源滤波器一般可以和无源滤波器组合使用，先利用有源滤波器对频率较低的噪音信号加以大幅度衰减，再用一般的无源滤波器对频率比较高的噪音信号进行衰减。用于直流电源的有源滤波器，可以包含：电容器，作为储能元件；串联稳压器，以便提供高阻抗通路；与高增益反馈系统组合的并联稳压器，以便消除干扰。这种滤波器即使在信号源内阻和负载电阻很低的情况下，对噪声的衰减仍可达30dB量级。如果把两个这样的滤波器级联起来，就可以得到更大的噪声衰减。目前滤波器的分析和设计方法有两种：一是影像参数分析法，二是工作参数分析法（又称综合法）。前者设计简单，易于掌握，但这种滤波器的实测滤波特性与理论上的预定特性差别较大，在通带内又不能取得良好阻抗匹配，很难满足对滤波特性精度高的要求；后者是以网络综合理论为基础的分析方法，它选区找出与理想滤波特性相近似的网络函数，然后根据综合方法实现该网络函数，由这种方法设计出来的滤波器，实测的滤波特性与理论预定特性十分接近，所以适合于高精度的滤波器设计要求。5. 几种常见滤波器简介（1）普通单相交流滤波器采用基本的电源滤波电路，体积小，成本低，适用于干扰抑制要求较低的场合。工作温度范围：- 25+ 85C（2）差模增强型单相交流滤波器在基本电源滤波电路的基础上增加两个差模扼流圈，进一步提高对差模干扰的抑制能力。工作温度范围：- 25 + 85C（3）高性能交流单相滤波器在基本电源滤波电路的基础上增加一级共模和差模滤波，滤波器的共模、差模干扰抑制能力都有较大提高。适用于对抗干扰要求较高的场合，以及要求设备的传导发射需满足FCC B级或GB9254B级的场合。高频增强型（DGG）电源滤波器由于采用了便于安装在面板上的结构，并且内部使用三端电容器作为共模滤波电容，共模滤波高频（30MHz以上）性能得到很大的改善，特别适合用在要求抑制较强辐射干扰的场合。工作温度范围：- 25 + 85C（4）高性能差模增强型交流单相滤波器在高性能电源滤波电路的基础上增加两个差模扼流圈，进一步提高对差模干扰的抑制能力。工作温度范围：- 25 + 85C（5）普通交流三相三线滤波器工作温度范围：- 25 + 85C（6）普通交流三相四线滤波器工作温度范围：- 25 + 85C（7）差模增强型交流三相三线滤波器在普通交流三相三线电源滤波电路的基础上增加三个差模扼流圈，进一步提高对差模干扰的抑制能力。工作温度范围：- 25 + 85C（7）差模增强型交流三相四线滤波器在普通三相四线电源滤波电路的基础上增加四个差模扼流圈，进一步提高对差模干扰的抑制能力。工作温度范围：- 25 + 85C（8）直流电源线滤波器（a） 小型直流滤波器可直接安装在线路板上的直流滤波器，具有体积小的结构特点。工作电压：100 VDC工作温度范围：- 25 + 85C（b） 形直流滤波器应用形共模/差模滤波电路，具有较好的高频干扰抑制效果。使用时要注意滤波器必须与设备外壳之间低阻抗搭接，否则共模滤波效果会极差。工作电压：100 VDC工作温度范围：- 25 + 85C(c）T形直流滤波器形滤波电路虽然具有较好的高频滤波效果和比较低的成本，但有时会出现振铃现象，在某些频率上滤波效果较差。并且在使用时对滤波器的接地要求极高。T型