电源滤波器的设计

1、1 第第5章章 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器 刘刘 洋洋 应用物理教研室应用物理教研室 2 滤波器的特性滤波器的特性 滤波是抑制传导干扰的一种重要方法滤波是抑制传导干扰的一种重要方法 采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。 滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、 电感和电容构成的一种网络。电感和电容构成的一种网络。 3 电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程中的一电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程中的一 个非常重要的环节。有时候设计的滤波器性能如个非常重要的环节。有时候设计的滤波器性能如 何会决定整个电器设备是否能够正常工

2、作。但因何会决定整个电器设备是否能够正常工作。但因 为电磁兼容滤波器的为电磁兼容滤波器的设计涉及的知识面非常广设计涉及的知识面非常广， 设计出一个性能较好的滤波器并不是一件容易的设计出一个性能较好的滤波器并不是一件容易的 事情。事情。 5.1 干扰的分类干扰的分类 5.1.1 按噪声产生的原因分类按噪声产生的原因分类 l放电噪声放电噪声 主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、大主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、大 功率开关触点断开等放电产生的噪声。功率开关触点断开等放电产生的噪声。 4 l高频振荡噪声高频振荡噪声 主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直主要是中频电弧炉、感应电炉、开关

3、电源、直 流流交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。 l浪涌噪声浪涌噪声 主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电 流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等 设备产生涌流引起的噪声。设备产生涌流引起的噪声。 这些干扰对微机测控系统都有严重影响，必须认这些干扰对微机测控系统都有严重影响，必须认 真对待，而其中尤以真对待，而其中尤以各类开关通、断电各类开关通、断电时所产生时所产生 的干扰最难以抑制或消除。的干扰最难以抑制或消除。 5 5.1.2 按噪声传导模式分类按噪声传导

4、模式分类 对于传导噪声，按其传导模式分为对于传导噪声，按其传导模式分为差模噪声和共差模噪声和共 模噪声。模噪声。 l差模噪声差模噪声 又称线间感应噪声或又称线间感应噪声或对称噪声对称噪声。有些书中也称其。有些书中也称其 为串模噪声或常模噪声、横向噪声等。如下图所为串模噪声或常模噪声、横向噪声等。如下图所 示，噪声往返于两条线路间，示，噪声往返于两条线路间，N为噪声源，为噪声源，R为受为受 扰设备，扰设备，UN为噪声电压，噪声电流为噪声电压，噪声电流IN和信号电流和信号电流 IS的路径在往返两条线上是一致的。的路径在往返两条线上是一致的。 6 差模干扰电流是由差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和

5、信号地外界电磁场在信号线和信号地 线构成的回路中感应出的线构成的回路中感应出的。由于电缆中的信号线。由于电缆中的信号线 与其地线靠得很近，因此形成的环路面积很小，与其地线靠得很近，因此形成的环路面积很小， 所以外界电磁场感应的差模电流一般不会很大。所以外界电磁场感应的差模电流一般不会很大。 在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其他在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其他 电器的电源发射出的电器的电源发射出的(特别是开关电源特别是开关电源)和感性负和感性负 7 载通断时产生的载通断时产生的(其幅度往往很大其幅度往往很大)。差模干扰电。差模干扰电 流都会直接影响设备的工作，并且，这种噪声难流都

6、会直接影响设备的工作，并且，这种噪声难 以除掉。以除掉。 l共模噪声共模噪声 又叫地感应噪声、纵向噪声或又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声不对称噪声。如下。如下 图所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两图所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两 条线上各流过一部分，条线上各流过一部分，以地为公共回路以地为公共回路，而信号，而信号 电流只在往返两条线路中流过。形成这种干扰电电流只在往返两条线路中流过。形成这种干扰电 流的原因有流的原因有3个，一个是外界电磁场在电缆中的个，一个是外界电磁场在电缆中的 所有导线上所有导线上感应出来电压感应出来电压(这个电压相对于大地是这个电压相对于大地是 等幅同

7、相的等幅同相的)，这个电压产生电流；另一个原因是，这个电压产生电流；另一个原因是 由于电缆两端的设备所接的由于电缆两端的设备所接的地电位地电位不同所致，不同所致， 8 在这个地电压的驱动下产生电流；第三个原因是在这个地电压的驱动下产生电流；第三个原因是 设备上的设备上的电缆与大地之间有电位差电缆与大地之间有电位差，这样电缆上，这样电缆上 会有共模电流。会有共模电流。 9 从定义容易理解：共模电流本身并不会对电路产从定义容易理解：共模电流本身并不会对电路产 生影响，只有当共模电流转变为差模电流生影响，只有当共模电流转变为差模电流(电压电压) 时，才会对电路产生影响，这种情况发生在时，才会对电路产

8、生影响，这种情况发生在电路电路 不平衡不平衡的情况下。的情况下。 另外，如果设备在其电缆上产生共模电流，则电另外，如果设备在其电缆上产生共模电流，则电 缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电 磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他 设备造成干扰。设备造成干扰。 l共模噪声转化成差模噪声共模噪声转化成差模噪声 从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于 线路的不平衡状态线路的不平衡状态，共模噪声会转化成差模噪声。，共模噪声会转化成差模噪声。 可用下图来说明共模噪声

9、转化成差模噪声的原理。可用下图来说明共模噪声转化成差模噪声的原理。 10 在上图中，在上图中，N为噪声源，为噪声源，L为负载，为负载，Z1和和Z2是导线是导线1 和导线和导线2的对地阻抗。如果的对地阻抗。如果Z1 = Z2，则噪声电压，则噪声电压 11 VN1和噪声电压和噪声电压VN2相等，从而噪声电流相等，从而噪声电流IN1 和和IN2相相 等，即噪声电流不流过负载。然而当等，即噪声电流不流过负载。然而当Z1 Z2 时，时， 则则VN1 VN2，从而，从而IN1IN2，于是，于是VN1 - VN2= VN， VN /ZLIN (ZL为负载阻抗为负载阻抗)，这是常模噪声。，这是常模噪声。 因此

10、，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于因此，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于 线路不平衡状态而从共模噪声转化来的。通常，线路不平衡状态而从共模噪声转化来的。通常， 输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共 模噪声模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多，信号线受到静电感应时产生的噪声也多 为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、屏蔽、 接地和隔离等接地和隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕。抗干扰技术在很多方面都是围绕 共模噪声来研究其有效的抑制措施。共模噪声来研究其有效的抑制措施。 12 5.1.3

11、按噪声波形及性质分类按噪声波形及性质分类 l持续正弦波持续正弦波 持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，是一持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，是一 种典型的周期噪声。最常见的该类噪声就是种典型的周期噪声。最常见的该类噪声就是50Hz 的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为 纹波纹波，出现在声音信号中，表现为惹人烦的，出现在声音信号中，表现为惹人烦的交流交流 声声，出现在视频影像信号中，为，出现在视频影像信号中，为横条干扰横条干扰。 l偶发脉冲电压波形偶发脉冲电压波形 这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、

12、脉冲宽 度以及能量等特征值表示。例如雷击波、接点分度以及能量等特征值表示。例如雷击波、接点分 断电压负载和静电放电等波形。该类噪声周期性断电压负载和静电放电等波形。该类噪声周期性 不明显，不明显，在通信信号中，容易引起突发误码在通信信号中，容易引起突发误码。 13 l脉冲列脉冲列 脉冲列脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉冲多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉冲 宽度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点宽度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点 分断电感负载和接电反复重燃过电压等。该类噪分断电感负载和接电反复重燃过电压等。该类噪 声呈现一定的周期性，能量较大，一般较难消除。声呈现一定的周期

13、性，能量较大，一般较难消除。 噪声中的主要能量是由干扰引起的。噪声中的主要能量是由干扰引起的。 消除有用信号中的噪声，从根本上来说，就是要消除有用信号中的噪声，从根本上来说，就是要 消除或降低干扰对电路的影响。我们可以针对不消除或降低干扰对电路的影响。我们可以针对不 同的噪声类型，设计或选用不同的同的噪声类型，设计或选用不同的防干扰滤波器防干扰滤波器。 14 15 5.2 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器 5.2.1 电磁干扰滤波器的电磁干扰滤波器的工作原理工作原理 电磁干扰滤波器的工作原理与普通滤波器一样，电磁干扰滤波器的工作原理与普通滤波器一样， 它能它能允许有用信号的频率分量通过允许有用信号

14、的频率分量通过，同时又，同时又阻止阻止 其他干扰频率分量通过其他干扰频率分量通过。其方式有两种：一种是。其方式有两种：一种是 不让无用信号通过，并把它们不让无用信号通过，并把它们反射反射回信号源；另回信号源；另 一种是把无用信号在滤波器里一种是把无用信号在滤波器里消耗消耗掉。掉。 5.2.2 电磁干扰滤波器的特殊性电磁干扰滤波器的特殊性 由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信号的通由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信号的通 过，所以它与常规滤波器有很大的不同。过，所以它与常规滤波器有很大的不同。 (1) 电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、安电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、安 装方便、工作可

15、靠、重量轻、尺寸小及结构简单装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单 等优点。等优点。 16 (2) 电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能 在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗要在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗要 小，以保证小，以保证最大传输效率最大传输效率。 (3) 由于电磁干扰的频率是由于电磁干扰的频率是20Hz到几十到几十GHz，故，故 难以用难以用集总参数等效电路集总参数等效电路来模拟滤波电路。来模拟滤波电路。 (4) 要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比 较高的较高的衰减性能衰减性能。 (5

16、) 干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干 扰滤波器出现扰滤波器出现饱和效应饱和效应。 (6) 电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范 围大，很难得到使用稳定的恒定值，所以电磁干围大，很难得到使用稳定的恒定值，所以电磁干 扰滤波器很难工作在扰滤波器很难工作在阻抗匹配阻抗匹配的条件下。的条件下。 17 5.2.3 滤波器的主要特性滤波器的主要特性 滤波器最主要的特性参数有额定电压、额定电流、滤波器最主要的特性参数有额定电压、额定电流、 频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频

17、率特性等。率特性等。 p额定电压额定电压 指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器 的电压过高，会使内部电容损坏。的电压过高，会使内部电容损坏。 p额定电流额定电流 指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器所指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器所 允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高其允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高其 允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率 有关：工作频率越高，其允许电流越小。有关：工作频率越高，其允许电流越小。 18 p频率特性频率特性 滤波器的频率特性是描述其抑制干扰

18、能力的参数，滤波器的频率特性是描述其抑制干扰能力的参数， 通常用中心频率、截止频率以及上升和下降斜率通常用中心频率、截止频率以及上升和下降斜率 表示。表示。 p输入输出阻抗输入输出阻抗 从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤 波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。选择波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。选择 滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。 p插入损耗插入损耗 描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，插入描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，插入 损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的损耗的大小随

19、工作频率不同而改变。插入损耗的 定义是定义是: 19 式中：式中：V1-信号源通过滤波器在负载阻抗上信号源通过滤波器在负载阻抗上 建立的电压建立的电压(V)； V2-不接滤波器时信号源在同一负载不接滤波器时信号源在同一负载 阻抗上建立的电压阻抗上建立的电压(V)； Lin-插入损耗插入损耗(dB)。 2 1 lg20 V V Lin 20 p传输频率特性传输频率特性 滤波器最重要的是其滤波器最重要的是其传输频率特性传输频率特性，可用对数幅，可用对数幅 频特性频特性20lgA来表示。在抗干扰技术中又称为衰来表示。在抗干扰技术中又称为衰 减系数，即减系数，即: 衰减系数衰减系数= (单位单位dB)

20、 式中：式中： 滤波器的输出信号，滤波器的输出信号， 滤波器的输入信号，滤波器的输入信号， 信号的角频率。信号的角频率。 )( )( lg20 jU jU i o o U i U 21 5.2.4 滤波器的分类滤波器的分类 l按滤波器的作用对象分类按滤波器的作用对象分类 根据滤波器的作用对象可以分为根据滤波器的作用对象可以分为电源滤波器电源滤波器和和信信 号滤波器。号滤波器。 22 滤波器的分类滤波器的分类 u按滤波器对按滤波器对频率的选择性频率的选择性能来分类，则可分为低能来分类，则可分为低 通、高通、带通和带阻四种滤波器通、高通、带通和带阻四种滤波器. u按按频带频带来分，滤波器分为低频、

21、高频、甚高频、来分，滤波器分为低频、高频、甚高频、 超高频和微波滤波器超高频和微波滤波器. u按网络中是否按网络中是否含有电源含有电源来分，滤波器分为有源和来分，滤波器分为有源和 无源滤波器。无源滤波器。 u按组成滤波器的按组成滤波器的元件特征元件特征来分，滤波器分为来分，滤波器分为 LC 滤波器，晶体滤波器，机械滤波器，陶瓷滤波器，滤波器，晶体滤波器，机械滤波器，陶瓷滤波器， 螺旋滤波器等。螺旋滤波器等。 u按滤波器的按滤波器的功能功能来分，滤波器分为反射滤波器和来分，滤波器分为反射滤波器和 损耗滤波器两类。损耗滤波器两类。 23 24 l按照对不需要的信号能量的抑制方式分类按照对不需要的信

22、号能量的抑制方式分类 按照对不需要的信号能量的抑制方式分类又可分按照对不需要的信号能量的抑制方式分类又可分 为为反射式滤波器和吸收式滤波器反射式滤波器和吸收式滤波器。 5.2.5 反射式滤波器反射式滤波器 l带阻滤波器带阻滤波器 带阻滤波器是指用于对特定窄频带带阻滤波器是指用于对特定窄频带(在此频带内可在此频带内可 能产生电磁干扰能产生电磁干扰)内的能量进行衰减的一种滤波器。内的能量进行衰减的一种滤波器。 其频率特性如下图所示，其中其频率特性如下图所示，其中C1和和C2为截止频为截止频 率。带阻滤波器是用作串联在负载和干扰源之间率。带阻滤波器是用作串联在负载和干扰源之间 的抑制器件。的抑制器件

23、。 25 26 l带通滤波器带通滤波器 带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是指作用带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是指作用 于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器。于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器。 带通滤波器是并接于干扰线和地之间，以消除电带通滤波器是并接于干扰线和地之间，以消除电 磁干扰信号，达到兼容的目的。其频率特性如下磁干扰信号，达到兼容的目的。其频率特性如下 图所示，其中图所示，其中C1和和C2为截止频率。为截止频率。 它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接 收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通收机的天线端口上要安装

24、带通滤波器，仅允许通 信信号通过。信信号通过。 27 28 l高通滤波器高通滤波器 在降低电磁干扰上，高通滤波器虽不如低通滤波在降低电磁干扰上，高通滤波器虽不如低通滤波 器应用广泛，但也有用途。特别是这种滤波器一器应用广泛，但也有用途。特别是这种滤波器一 直被用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制直被用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制 特定的低频外界信号。设计高通滤波器时，均采特定的低频外界信号。设计高通滤波器时，均采 用倒转方法，凡满足倒转原则的低通滤波器可以用倒转方法，凡满足倒转原则的低通滤波器可以 很方便地变成所需要的高通滤波器。倒转原则就很方便地变成所需要的高通滤波器。倒转原则就

25、是将低通滤波器的每一个线圈换成一个电容器，是将低通滤波器的每一个线圈换成一个电容器， 而每一个电容器换成一个线圈，就可变成高通滤而每一个电容器换成一个线圈，就可变成高通滤 波器。波器。 高通滤波器用在干扰频率比信号频率低高通滤波器用在干扰频率比信号频率低 的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤 除电源谐波造成的干扰。它的频率特性如下图所除电源谐波造成的干扰。它的频率特性如下图所 示，其中示，其中C为截止频率。为截止频率。 29 30 l低通滤波器低通滤波器 ：它是最常用的一种电磁兼它是最常用的一种电磁兼 容滤波器，主要用在干扰信号频率比工作容滤波器

26、，主要用在干扰信号频率比工作 信号频率高的场合。电源线滤波器也是低信号频率高的场合。电源线滤波器也是低 通滤波器，它仅允许通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对的电流通过，对 其他高频干扰信号有很大的衰减。低通滤其他高频干扰信号有很大的衰减。低通滤 波器的频率特性如下图所示，其中波器的频率特性如下图所示，其中C为截为截 止频率。止频率。 31 32 5.2.6 低通滤波器的分类低通滤波器的分类 常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的， 电容并联在滤波器的信号线与信号地线之间电容并联在滤波器的信号线与信号地线之间(滤除滤除 差模干扰电流差模干扰电流)

27、或信号线与机壳地或大地之间或信号线与机壳地或大地之间(滤滤 除共模干扰电流除共模干扰电流)，电感串联在要滤波的信号线上。，电感串联在要滤波的信号线上。 按照电路结构分，有单电容型按照电路结构分，有单电容型(C型型)、单电感型、单电感型(L 型型)、型和反型和反型、型、T型和型和型。不同结构的滤波型。不同结构的滤波 电路主要有两点不同：电路主要有两点不同： (1) 电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰 减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。 33 34 35 (2) 不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和不同结

28、构的滤波电路适合于不同的源阻抗和 负载阻抗。负载阻抗。 l电容滤波器电容滤波器 电容电容C的电抗与频率有关。若设输入量为电流的电抗与频率有关。若设输入量为电流 Ic(S)，输出为电压，输出为电压 如下图所示，则传递函数如下图所示，则传递函数 为：为： 频率特性为：频率特性为： )( o SU CSSI SU SA 1 )( )( )( C o CjjI jU jA 1 )( )( )( C o 36 对数幅频特性为：对数幅频特性为： 显然，随着频率显然，随着频率 = 滤波器的输出电压衰滤波器的输出电压衰 减逐渐增加，起到了减逐渐增加，起到了 低通滤波效果。其输低通滤波效果。其输 入输出特性如下

29、图入输出特性如下图(d) 所示。所示。 滤波器的电容要有滤波器的电容要有耐压高、耐压高、 绝缘好、温度系数小和自绝缘好、温度系数小和自 谐振频率高等特性谐振频率高等特性。 C C A lg20 1 lg20)(lg20 f2 37 下图下图(a)所示的滤波器结构最简单，接在干所示的滤波器结构最简单，接在干 扰源线间能衰减扰源线间能衰减串模噪声串模噪声；接在干扰源和；接在干扰源和 地线间能衰减地线间能衰减共模噪声共模噪声；接在印刷电路板；接在印刷电路板 中的直流电源线和地线间能抑制中的直流电源线和地线间能抑制电源噪声电源噪声。 38 下图下图(b)中电容中点接地，能够把噪声电流旁中电容中点接地，

30、能够把噪声电流旁 路入地，能消除路入地，能消除共模噪声共模噪声。 39 下图下图(c)中的中的C3接在电源线间，这种结构能有接在电源线间，这种结构能有 效地抑制共模效地抑制共模(由由C1、C2完成完成)和串模噪声和串模噪声 (由由C3完成完成)。 40 l电感滤波器电感滤波器 电感电感L的电抗与频率有关。若设输入量为电的电抗与频率有关。若设输入量为电 流流 输出为电压输出为电压 ，且与电流变化率，且与电流变化率 方向相反，如下图方向相反，如下图(a)所示。所示。 则传递函数为则传递函数为 频率特性为频率特性为 对数幅频特性为对数幅频特性为 )( L SI)( L SU LS SI SU SA

31、)( )( )( L L Lj jI jU jA )( )( )( L L LAlg20)(lg20 41 显然，随着频率显然，随着频率 ，电感线圈两端电压，电感线圈两端电压 将增加。由于电感串联在线路中，因此滤波器将增加。由于电感串联在线路中，因此滤波器 的输出的输出 将衰减，起到了滤波的效果。电将衰减，起到了滤波的效果。电 感滤波器的输入输出特性如下图感滤波器的输入输出特性如下图(b)所示。所示。 f2 L U Lio UUU 42 共模扼流圈共模扼流圈 43 滤波器中的电感器件应在负载电流情况下滤波器中的电感器件应在负载电流情况下 具有不饱和、温度系数小和直流电阻低等具有不饱和、温度系数

32、小和直流电阻低等 性质。性质。为了避免负载电流使电感产生饱和为了避免负载电流使电感产生饱和， 可选用共模扼流圈或不易饱和的磁芯线圈。可选用共模扼流圈或不易饱和的磁芯线圈。 电感线圈有两种，即常模扼流圈和共模扼电感线圈有两种，即常模扼流圈和共模扼 流圈。流圈。 44 l RC低通滤波器低通滤波器 低通滤波器接在电路中，按其结构可分为低通滤波器接在电路中，按其结构可分为L形、形、 形和形和T形，如下图所示。它具有形，如下图所示。它具有滤去高频，滤去高频，而让而让 低频信号容易通过低频信号容易通过的性能。的性能。 l L形形RC低通滤波器低通滤波器 L形形RC低通滤波器如下图低通滤波器如下图(a)所

33、示。所示。 45 其传递函数为：其传递函数为： 其频率特性为：其频率特性为： 如果令如果令 则有则有 其中，其中， 称为上限截止频率。当称为上限截止频率。当 时，则大时，则大 SRC SC R SC SA 1 1 1 1 )( 1)( 1 )( 1 1 )( 2 RC A RCj jA ； RC f 2 1 h 2 1 ( ) 1 (/) h A ff h ff h f f h f 46 有衰减，即有衰减，即 每提高每提高10倍，倍， 将下降将下降20dB。 l形形RC低通滤波器低通滤波器 形形RC低通滤波器如下图低通滤波器如下图(b)所示。所示。 f)(A 47 其传递函数为：其传递函数为：

34、 由此可以看出，由此可以看出，形与形与L形有相同的衰减系数。实形有相同的衰减系数。实 际上，由于信号源不可避免含有内阻，当际上，由于信号源不可避免含有内阻，当形滤形滤 波器和信号源连接后，相当于两级波器和信号源连接后，相当于两级L形滤波器串形滤波器串 联，对联，对滤波特性滤波特性将有很大改善。将有很大改善。 lT形形RC低通滤波器低通滤波器 T形形RC低通滤波器结构如下图低通滤波器结构如下图(c)所示。所示。 1 1 )() 1 ( )( 1 )( )( )( i O SRC SI SC R SI SC SU SU SA 48 为了求其传递函数，可根据电工学中星形三角形为了求其传递函数，可根据

35、电工学中星形三角形 变换公式，如下图所示，变换公式，如下图所示， 49 图(a)变换成图(b)时，有： cba ac ca cba cb bc cba ba ab YYY YY Y YYY YY Y YYY YY Y * * * ； 50 根据上面公式，图根据上面公式，图(c)变换成图变换成图(d)时，有：时，有： 于是求得于是求得T形滤波器的传递函数为：形滤波器的传递函数为： SC RSC SCR SC RR Z SC RR SC R Y 2 * 1 11 11 * 1 33 ； )2(2 11 1 * 1 2 11 SRCRSCRRZ SC RR RR Y； 1 1 2 )2( 2 )()

36、( )(* )( )( )( 31 3 31 3 i o SRC SC RSRCR SC R ZZ Z SIZZ SIZ SU SU SA 51 由此可以看出，由此可以看出，T形形RC滤波器与滤波器与L形形RC滤波器有滤波器有 相同的滤波特性。实际上往往将相同的滤波特性。实际上往往将T形滤波器用于形滤波器用于 负载阻抗小的情况，这比应用负载阻抗小的情况，这比应用L形和形和形滤波器时形滤波器时 的的负载电流要小得多负载电流要小得多，减轻了信号源的负担。，减轻了信号源的负担。 上述上述3种形式的种形式的RC滤波器制造简单，价格便宜，滤波器制造简单，价格便宜， 体积小，对外界的磁场变化敏感低，广泛用

37、于体积小，对外界的磁场变化敏感低，广泛用于信信 号传输线路号传输线路中的噪声抑制。中的噪声抑制。 52 lLC低通滤波器低通滤波器 对于下图对于下图 (a) 所示电路结构，若设电感所示电路结构，若设电感L的直流电的直流电 阻为阻为R， 则传递函数为：则传递函数为： 53 其频率特性为：其频率特性为： 幅频特性为：幅频特性为： 1 1 )() 1 ( )(* 1 )( )( )( 2 i o SRCLCS SI SC RSL SI SC SU SU SA LCRCj jA 2 1 1 )( 222 )1 ()( 1 )( LCRC A 222 )1 ()(lg20)(lg20LCRCA 54 为

38、了便于和为了便于和RC低通滤波器相比较，设低通滤波器相比较，设 那么那么 当当 时，则有时，则有 RC 1 LC 1 01)(lg20)(lg20 2 RCA LC 1 222 )()(lg20)(lg20LCRCA 22 )(lg20LC LC 2 lg20 55 如果令如果令 则则 由此可见，由此可见，LC低通滤波器比低通滤波器比RC低通滤波器有更低通滤波器有更 好的滤波性能。但是好的滤波性能。但是制造电感线圈比较麻烦制造电感线圈比较麻烦，不，不 利于大规模生产，也不便于集成化和小型化，使利于大规模生产，也不便于集成化和小型化，使 其应用范围受到局限。其应用范围受到局限。 l形形LC低通滤

39、波器低通滤波器 其结构如下图其结构如下图(b)所示，其传递函数为：所示，其传递函数为： LC 1 0 2 0 2 LC 0 lg40)(lg20 A 56 1 1 )() 1 ( )(* 1 )( )( )( 2 i o SRCLCS SI SC RSL SI SC SU SU SA 57 由此可见，由此可见，形与形与L形有相同的衰减系数。实际上，形有相同的衰减系数。实际上， 由于信号源不可避免含有内阻，当由于信号源不可避免含有内阻，当形滤波器和形滤波器和 信号源连接后，相当于信号源连接后，相当于L形形RC滤波器和滤波器和LC滤波器滤波器 串联，有效地改善了滤波特性。串联，有效地改善了滤波特性

40、。 lT形形LC低通滤波器低通滤波器 根据电工学中星形三角形变换原理，将根据电工学中星形三角形变换原理，将T形电路形电路 滤波器变换成滤波器变换成形电路，如下图所示形电路，如下图所示。 58 设图中Z1、Z3对应的电导抗为Y1和Y3，则T 形LC低通滤波器的传递函数按下述步骤求 出： 因为： 所以 133131 3 31 3 /1 1 /1 1 )()( )(* )( YYZZZZ Z SIZZ SIZ SA )( 1 * 1 * 1 1 3 RSLSC SLRSLR SC SLR Y Y 1 1 1)( 1 )( 2 SRCLCSRSLSC SA 59 由此可见，由此可见，T形滤波器与形滤波

41、器与L形滤波器有相同的滤波形滤波器有相同的滤波 特性。实际上往往将特性。实际上往往将T形滤波器用于形滤波器用于负载阻抗小负载阻抗小 的情形，这比应用的情形，这比应用L形、形、形滤波器时负载电流小，形滤波器时负载电流小， 有效减轻了信号源的负担。有效减轻了信号源的负担。 5.2.7 低通滤波器的结构选择低通滤波器的结构选择 由上节分析可知，由上节分析可知，L形、形、形和形和T形滤波器具有相形滤波器具有相 同的衰减系数，这是在没有考虑输入、输出效应同的衰减系数，这是在没有考虑输入、输出效应 情况下讨论的。实际上系统的输入、输出效应总情况下讨论的。实际上系统的输入、输出效应总 是客观存在的，即信号源

42、总是有内阻抗，负载总是客观存在的，即信号源总是有内阻抗，负载总 是有输入阻抗，是有输入阻抗，要根据信号源的内阻和负载阻抗要根据信号源的内阻和负载阻抗 来选择低频滤波器的电路结构形式来选择低频滤波器的电路结构形式，如下图所示。，如下图所示。 60 61 关于滤波器设计的几个概念关于滤波器设计的几个概念 u滤波器的零点。滤波器的零点。 u滤波器的极点。滤波器的极点。 u滤波器的频率归一化：滤波器的频率归一化： 归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的表归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的表 达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为纯达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为纯 量。比如，复数量。

43、比如，复数阻抗阻抗可以归一化书写：可以归一化书写：Z = R + jL = R(1 + jL/R) ，注意复数部分变成了纯数，注意复数部分变成了纯数 量了，没有任何量纲。另外，微波之中也就是电量了，没有任何量纲。另外，微波之中也就是电 路分析、信号系统、电磁波传输等，有很多运算路分析、信号系统、电磁波传输等，有很多运算 都可以如此处理，既保证了运算的便捷，又能凸都可以如此处理，既保证了运算的便捷，又能凸 现出物理量的本质含义。现出物理量的本质含义。 62 5.2.8 低通滤波器的平衡结构与串联形式低通滤波器的平衡结构与串联形式 低通滤波器一般采用低通滤波器一般采用对称结构对称结构，以保证线路平

44、，以保证线路平 衡，这有利于抑制共模干扰信号，如下图所示。衡，这有利于抑制共模干扰信号，如下图所示。 63 低通滤波器为了改善选频特性，可以实行级间串低通滤波器为了改善选频特性，可以实行级间串 联。但前面在讨论滤波器的传递函数和频率特性联。但前面在讨论滤波器的传递函数和频率特性 时，都没有时，都没有考虑滤波器的负载考虑滤波器的负载的影响，即在没有的影响，即在没有 负载电流情况下讨论的。但级联以后，由于后级负载电流情况下讨论的。但级联以后，由于后级 成为前级的负载，导致总的频率特性与单级不同。成为前级的负载，导致总的频率特性与单级不同。 下图为两级下图为两级RC低通滤波器的串联，后级成为前级低通

45、滤波器的串联，后级成为前级 的负载。的负载。 64 传递函数为 若设 则有： 求解传递函数的特征方程，即 则 1)( 1 )( 212211 2 2121 SCRCRCRSCCRR SA TCRCRCRCCRR 2122112121 , 13 1 )( 22 TSST SA 013 22 TSST TT TTT S 2 53 2 493 2 22 2, 1 65 这说明在某一频率下这说明在某一频率下可能发生振荡可能发生振荡。由此可以看。由此可以看 出，原来两个独立的一阶出，原来两个独立的一阶RC滤波器，串联后成了滤波器，串联后成了 二阶网络。频率特性变化的根本原因是后级成了二阶网络。频率特性变

46、化的根本原因是后级成了 前级的负载。前级的负载。 若使后级的若使后级的RC阻抗增大，对前级造成的负载效应阻抗增大，对前级造成的负载效应 忽略不计，则形成了两个独立的网络串联，分析忽略不计，则形成了两个独立的网络串联，分析 起来十分方便，如下图起来十分方便，如下图( a )所示，后级的阻抗为所示，后级的阻抗为 66 后级的阻抗是前级阻抗的后级的阻抗是前级阻抗的m倍。倍。 如下图如下图(b)所示，由于忽略了负载效应，所示，由于忽略了负载效应， 同理可得同理可得 22 2 22 2 22 1 C Rm C m RmZ m 1 1 )() 1 ( )(* 1 )( )( 1 1 2 SRC SI SC

47、 R SI SC SU SU i 1 1 1 1 )( )( 2 3 SRC M C SMR SU SU 67 令 则 1 1 1 1 )( )( 2 2 3 SRC M C RSM SU SU o RCT 1lg60 )( )( lg20 22 T jU jU i o 68 由此可得出结论：由此可得出结论： 当当RC低通滤波器串联工作时，若后级的电阻是前低通滤波器串联工作时，若后级的电阻是前 级的级的m倍，其电容应减小为前级电容的倍，其电容应减小为前级电容的l/m，那么，那么 当频率超过截止频率时，当频率超过截止频率时， 一级滤波器衰减一级滤波器衰减20dB/十倍频程，十倍频程， 二级滤波器

48、衰减二级滤波器衰减40dB/十倍频程，十倍频程， 三级滤波器衰减为三级滤波器衰减为60dB/十倍频程。十倍频程。 级数越多，衰减系数也就越大。级数越多，衰减系数也就越大。 69 5.3 常用滤波器元件常用滤波器元件 5.3.1 电容器电容器 l 实际电容器的特性实际电容器的特性 电容器是基本的滤波器件，在低通滤波器中作为电容器是基本的滤波器件，在低通滤波器中作为 旁路器件使用。利用它的旁路器件使用。利用它的阻抗随频率升高而降低阻抗随频率升高而降低 的特性，起到对高频干扰旁路的作用。但是，在的特性，起到对高频干扰旁路的作用。但是，在 实际使用中一定要注意电容器的非理想性。实际使用中一定要注意电容

49、器的非理想性。 (1) 实际电容器的等效电路实际电容器的等效电路 实际电容器的电路模型如下图所示，它是由等效实际电容器的电路模型如下图所示，它是由等效 电感电感(ESL)、电容和等效电阻、电容和等效电阻(ESR)构成的串联网构成的串联网 络。电感分量是由引线和电容结构所决定的，电络。电感分量是由引线和电容结构所决定的，电 阻是介质材料所固有的。阻是介质材料所固有的。 70 电感分量是影响电容频率特性的主要指标，电感分量是影响电容频率特性的主要指标， 因此，在分析实际电容器的旁路作用时，因此，在分析实际电容器的旁路作用时， 用用LC串联网络来等效。串联网络来等效。 (2)对滤波特性的影响对滤波特

50、性的影响 实际电容器的特性如下页图所示，发生串实际电容器的特性如下页图所示，发生串 联谐振时电容的阻抗最小，旁路效果最好。联谐振时电容的阻抗最小，旁路效果最好。 71 超过谐振点后，电容器的阻抗特性呈现电感阻抗超过谐振点后，电容器的阻抗特性呈现电感阻抗 的特性的特性随频率的升高而增加，旁路效果开始随频率的升高而增加，旁路效果开始 变差。这时，作为旁路器件使用的电容器就开始变差。这时，作为旁路器件使用的电容器就开始 失去旁路作用。失去旁路作用。 72 理想电容的阻抗是随着频率的升高而降低，而实理想电容的阻抗是随着频率的升高而降低，而实 际电容的阻抗具有如上图所示的频率特性，在频际电容的阻抗具有如

51、上图所示的频率特性，在频 率较低时，呈现电容特性，即阻抗随频率的增加率较低时，呈现电容特性，即阻抗随频率的增加 而降低，在某一点发生谐振，在这点电容的阻抗而降低，在某一点发生谐振，在这点电容的阻抗 等于等效串联电阻等于等效串联电阻ESR。在谐振点以上，由于。在谐振点以上，由于 ESL的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加，的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加， 这是这是电容呈现电感的阻抗特性电容呈现电感的阻抗特性。在谐振点以上，。在谐振点以上， 由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作 用减弱，甚至消失。用减弱，甚至消失。 电容的谐振频率由电容的谐振频

52、率由ESL和和C共同决定，电容值或共同决定，电容值或 电感值越大，则谐振频率越低，也就是电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高电容的高 频滤波效果越差频滤波效果越差。 73 ESL除了与电容器的种类有关外，电容的引线长除了与电容器的种类有关外，电容的引线长 度是一个十分重要的参数，引线越长，则电感越度是一个十分重要的参数，引线越长，则电感越 大，电容的谐振频率越低。因此在实际工程中，大，电容的谐振频率越低。因此在实际工程中， 要使要使电容器的引线尽量短电容器的引线尽量短，电容器的正确安装方，电容器的正确安装方 法和不正确安装方法如下图所示。法和不正确安装方法如下图所示。 74 (3) 温度

53、的影响温度的影响 由于由于电容器中的介质参数受到温度变化的影响电容器中的介质参数受到温度变化的影响， 因此电容器的电容值也随着温度变化。不同的介因此电容器的电容值也随着温度变化。不同的介 质随温度变化的规律不同，有些电容器的容量当质随温度变化的规律不同，有些电容器的容量当 温度升高时会减小温度升高时会减小70%以上，常用的滤波电容为以上，常用的滤波电容为 瓷介质电容，瓷介质电容器有超稳定型：瓷介质电容，瓷介质电容器有超稳定型：COG或或 NPO，稳定型：，稳定型：X7R，和通用型：，和通用型：Y5V或或Z5U共共3 种。不同介质的电容器的温度特性如下图所示。种。不同介质的电容器的温度特性如下图

54、所示。 75 76 (4)电压的影响电压的影响 电容器的电容量不仅随着温度变化，还会随着工电容器的电容量不仅随着温度变化，还会随着工 作电压变化作电压变化，这一点在实际工程中必须注意。不，这一点在实际工程中必须注意。不 同介质材料的电容器的电压特性如图同介质材料的电容器的电压特性如图5.24所示。所示。 从图中可以看出，从图中可以看出，X7R电容器在额定电压状态下，电容器在额定电压状态下， 其容量降为原始值的其容量降为原始值的70%，而，而Y5V电容器的容量电容器的容量 降为原始值的降为原始值的30%。 77 78 综合考虑温度和电压的影响时，电容的变化如下综合考虑温度和电压的影响时，电容的变

55、化如下 图所示。图所示。 79 80 81 l 电容器的种类及选用电容器的种类及选用 (1)按介质材料分类按介质材料分类 云母电容器云母电容器(CY) 纸介电容器纸介电容器(CZ) 陶瓷电容器陶瓷电容器(CC) 塑料介质电容器塑料介质电容器(CB和和CL) 电解电容器电解电容器(CD) (2) 按接入方式分类按接入方式分类 三端电容器三端电容器 穿心电容器穿心电容器 片状电容器片状电容器 82 l 电容器使用注意事项电容器使用注意事项 注意电容器的耐压；注意环境温度；注意注意电容器的耐压；注意环境温度；注意 电解电容器极性；注意电容器产生的干扰电解电容器极性；注意电容器产生的干扰 噪声噪声 l

56、 电容器的型号及容量表示法电容器的型号及容量表示法 电容器的型号一般由四部分组成。电容器的型号一般由四部分组成。 第一部分：主称第一部分：主称(用字母用字母C表示表示)。 第二部分：材料第二部分：材料(用字母表示用字母表示)，例如：，例如：Z 纸介；纸介；Y云母；云母；C瓷介；瓷介；B 聚苯乙烯；聚苯乙烯；L涤纶；涤纶；D铝铝(电解电解)； A钽钽(电解电解)。 83 第三部分：分类第三部分：分类(一般用数字表示，个别类型用字一般用数字表示，个别类型用字 母表示母表示)，例如：电容器，例如：电容器(云母、有机云母、有机) 1，2非非 密封；密封；3，4密封。密封。 第四部分：序号第四部分：序号

57、(用数字表示用数字表示)。电容器的单位以。电容器的单位以F、 F、nF和和pF表示。它们之间的关系是表示。它们之间的关系是l F 103mF106F；1F103nF106pF。因此，。因此， 1F10-6 F，1 nF10-9F，1 pF10-12F。国际国际 电工委员会规定电容量的表示法电工委员会规定电容量的表示法为：为：m 代表代表 10 3, 代表 代表10-6，n代表代表10-9，p代表代表10-12。用二位数。用二位数 字表示有效数字，再用一个字母表示数值的量级。字表示有效数字，再用一个字母表示数值的量级。 如如1p21.210 12 1.2pF，220n22010-9 0.2210

58、-60.22F，333.310-63.3F， 2m22.210-3220010-62200F。 84 另一种表示方法是另一种表示方法是用用3位有效数字表示电容量位有效数字表示电容量，最，最 后用一个字母表示误差。后用一个字母表示误差。3位数字中的前两位表位数字中的前两位表 示有效值，第三位表示示有效值，第三位表示10n的的n值，值，n = l8，特，特 殊情况殊情况n9时，不表示时，不表示109。而表示为。而表示为 10 1。 。 例如，例如，“102”表示表示10102 = l 000pF “103”表示表示10103 = 10 000pF = 0.0lF “223”表示表示22103 =

59、22 000pF = 0.022F “474”表示表示47104 = 470 000pF = 0.47F “159”表示表示15l0 1pF = l.5pF 有效数字后面的字母表示误差值，由于制造电容有效数字后面的字母表示误差值，由于制造电容 的材料不同，误差范围也不同，有的误差很大。的材料不同，误差范围也不同，有的误差很大。 85 5.3.2 电感电感 l 实际电感的特性实际电感的特性 一段导线就构成了一个电感。要获得较大的电感一段导线就构成了一个电感。要获得较大的电感 量，需要将导线绕成线圈。线圈的芯材可以有两量，需要将导线绕成线圈。线圈的芯材可以有两 种，一种种，一种是非磁性的是非磁性的

60、(空气空气)，一种是磁性的。磁，一种是磁性的。磁 性磁芯又有性磁芯又有闭合磁路的和开放磁路闭合磁路的和开放磁路的。的。 实际电感的等效电路、频率特性如下图所示。实际电感的等效电路、频率特性如下图所示。 86 87 5.3.3 铁氧体铁氧体EMI抑制元件抑制元件 l铁氧体的特性铁氧体的特性 导线穿过铁氧体磁芯构成的电感的阻抗虽导线穿过铁氧体磁芯构成的电感的阻抗虽 然在形式上是随着频率的升高而增加，但然在形式上是随着频率的升高而增加，但 是在不同频率上，其机理是完全不同的。是在不同频率上，其机理是完全不同的。 铁氧体的等效电路在低频和高频时是不同铁氧体的等效电路在低频和高频时是不同 的。的。低频时