第 五 章 滤波技术

第五章

滤波技术董积平dong.j.p@163.com010-6874402013366077317即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽、接地措施的产品，仍然会有传导干扰发射或传导干扰进入产品。当传导发射（CE）不合格时，由于天线效应，设备的辐射发射（RE）也可能不合格。为了满足EMC标准规定的CE和CS（传导敏感度）极限值要求，使用EMI滤波器是一种好方法。通常要采用某种形式的滤波以降低电源线及信号线的发射，滤波器衰减决定于源及负载阻抗。即若滤波器与源、负载阻抗不匹配，将会产生最小的传输信号（EMI）功率。另外还要考虑电磁干扰是共模还是差模。共模是指两导体上的对地参考噪声电压，差模是指一个导体相对另一个导体的电压，一般情况下两种电磁干扰都需要衰减。在电磁屏蔽技术中我们已经知道，任何直接穿透屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的失效。在实际中，很多屏蔽严重的机箱（机柜）就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败，这就是缺乏电磁兼容经验的设计师感到困惑的典型问题之一。

判断这种问题的方法就是将设备上在试验中没有必要连接的电缆拔下，如果电磁兼容问题消失，说明电缆是导致问题的因素。解决这个问题有效方法之一是在电缆的端口处使用滤波器，滤除电缆上不必要的频率成份，减小电缆产生的电磁辐射，也防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内的电路。

滤波器的作用信号滤波器电源滤波器切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。

滤波器的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必要的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减小为最少。从电磁兼容的角度考虑，电源线也是一个穿过机箱的导体，它对设备电磁兼容性的影响与信号线是相同的。因此电源线上必须安装滤波器。特别是近年来开关电源广泛应用，开关电源的特征除了体积小、效率高、稳压范围宽外，强烈的电磁干扰发射也是一大特征，电源线上如果不安装滤波器，就有可能满足不了电磁兼容的要求。安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器。之所以这样划分，主要是两者除了都有对电磁干扰有尽量大的抑制作用外，分别还有一些特殊的考虑：信号滤波器还要考虑滤波器不能对工作信号有严重的影响，不能造成信号的失真。电源滤波器除了要保证满足安全方面的要求外，还要注意当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和（导致滤波器性能下降）。

滤波器的基本原理:

电源线滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许直流或50Hz的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理有三种:

A）利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）；B）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；C）利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。干扰滤波器的种类

根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。低通滤波器是最常用的一种，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。如在数字设备中，脉冲信号有丰富的高次谐波，这些高次谐波并不是电路工作所必需的，但它们却是很强的干扰源。因此在数字电路中，常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作最低频率。电源线滤波器也是低通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对其它高频干扰信号有很大的衰减。

干扰滤波器的种类衰减衰减衰减衰减低通带通高通带阻3dB截止频率常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地之间（滤除差模干扰电流）或信号线与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流）,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C型），单电感型，L型和反Γ型，T型，π型。

实际电容器的特性ZC实际电容理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器电容量谐振频率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.6

3300pF19.31100pF33680pF42.5330pF601/2LCCL实际电感器的特性ZL理想电感实际电感f电感量（H）谐振频率

(MHZ)3.4458.828685.7

1252.65001.2绕在铁粉芯上的电感1/2LCLC三端电容器的原理引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器在引线上安装两个磁珠滤波效果更好地线电感起着不良作用三端电容普通电容30701GHz206040三端电容的正确使用接地点要求：1干净地2与机箱或其它较大的金属件射频搭接三端电容器的不足寄生电容造成输入端、输出端耦合接地电感造成旁路效果下降穿心电容更胜一筹金属板隔离输入输出端一周接地电感很小穿心电容的插入损耗插入损耗频率1GHz普通电容理想电容穿心电容穿心电容、馈通滤波器以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波馈通滤波器使用注意事项必须安装在金属板上，并在一周接地最好焊接，螺纹安装时要使用带齿垫片焊接时间不能过长上紧螺纹时扭矩不能过大共模扼流圈共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。不同结构的滤波电路主要有两点不同：1．电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。2．不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗，它们的关系应遵循阻抗匹配原则。但要注意的是，实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时（电磁干扰问题往往发生在高频）由于电路寄生参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路的阻抗往往还与电路的工作状态有关，再加上电路阻抗在不同的频率上也不一样。因此，在实际中，哪一种滤波器有效主要靠经验或试验经验的结果确定。高通滤波器用于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除电源谐波造成的干扰。带通滤波器用于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，仅允许通信信号通过。带阻滤波器用于干扰频率带宽较窄，而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。

电源线上干扰的类型:电源线上的干扰电流按照其流动路径可以分为两类:一类是差模干扰电流，另一类是共模干扰电流。差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，共模干扰电流是在火线、零线与大地(或其它参考物体)之间流动的干扰电流，由于这两种干扰的抑制方式不同，因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。EMI电源滤波器

电磁干扰（EMI）电源滤波器（以下简称滤波器）是由电感、电容组成的无源器件。实际上它起两个低通滤波器的作用，一个衰减共模干扰另一个衰减差模干扰。它能在阻带（通常大于10KHz）范围内衰减射频能量而让工频无衰减或很少衰减地通过。EMI电源滤波器是电子设备设计工程师控制传导干扰和辐射电磁干扰的首选工具。电源线滤波器的基本电路共模扼流圈差模电容共模电容共模滤波电容受到漏电流的限制电源线滤波器的主要指标:

当我们选用电源线滤波器时，应主要考虑三个方面的指标；首先是电压／电流，其次是插入损耗，最后是结构尺寸。由于滤波器内部一般是经过灌封处理的，因此环境特性不是主要问题。但是所使用的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定影响。A)电压、电流对使用效果的影响:电源有直流和交流之分。从原理上讲，交流电源线滤波器既可用在交流电源上，也可以在直流电源上使用。但直流电源线滤波器不能用在交流的场合。电源线滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会造成滤波器过热，而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。

B）插入损耗对使用效果的影响:从抑制干扰的角度考虑，插入损耗是最重要的指标。其定义是：插入损耗（IL）=20lg(E0/E1)dB(E0:没有滤波器时测得的信号电平；E1：有滤波器时测得的信号电平)。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。共模测试电路差模测试电路插入损耗的测试原理图如下:电源线滤波器的特性损耗频率理想滤波器特性实际滤波器特性一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。30MHz越来越受到关注

C）影响电源线滤波器外形尺寸的因素滤波器的体积主要是由滤波电路中的电感所决定，电感线圈的体积越大，滤波器的体积也越大。以下因素会影响卑感的体积:1)额定电流:当滤波器的额定工作电流较大时，电感线圈要使用较粗的导线绕制，这自然会增加体积；另外，为了防止磁芯发生磁饱和现象，往往要使用体积较大的磁芯，这也会增加体积。2)低频特性:当需要滤波的干扰信号的频率较低时共模扼流圈和差模扼流圈的电感量都需要很大，导致电感元件的体积增加。例如开关电源的频率越低，则需要滤波器中的电感量越大。

电源滤波器高频插入损耗的重要性由于设备上的电缆是高效的辐射天线，当电缆上有高频传导电流时，会产生强烈的辐射，使设备不能满足辐射发射极限值的要求。因此，当电源线上有高频干扰电流时，同样也会产生辐射，使设备的辐射发射超标。改善滤波器高频特性的方法或精心绕制或多个电感串联

滤波器的安装问题电源线滤波器从外观上看是一个两端口网络，许多人认为只要按照接线图将滤波器串在设备和电源之间就可以了。这是一个十分错误的概念。1.电源输入线不应过长：滤波器的电源输入端导线过长，其后果是电网上的于扰进入设备后，还没有经过滤波器，就通过空间耦合到线路板上，对电路造成干扰。而设备内部的干扰会直接感应到电源线上，传出设备。一定要记住，我们所涉及的电磁干扰都是频率较高的，它们极易辐射和通过空间耦合。2.安装位置:大部分设备的电源输入口安装在设备的后面板，而电源开关、指示灯等元器件安装在设备的前面板，这样电源线进入设备后面板后，先连接到前面板，然后再连接到滤波器上。这时，尽管滤波器距电源线入口很近，会使滤波器旁路掉。

电源线滤波器的错误安装滤波器绝缘漆PCB滤波器通过细线接地，高频效果很差！接地线电源线滤波器的错误安装PCB滤波器滤波器输入线过长输入、输出耦合PCB电源滤波器的正确安装滤波器PCB电源PCB滤波电路宽带滤波的方案

要彻底解决宽带滤波的问题应该使用穿心电容，穿心电容实质上是一种三端电容，一个电极与芯线相连，另一个电极与外壳相连，使用时，一个电极通过焊接或螺装的方式直接安装在金属面板上，需要滤波的信号线连接在芯线的两端。穿心电容的滤波范围可以达到数GHz以上。之所以具有这样的特性，是因为以下两点原因：

1.接地电感小：当穿心电容的外壳与面板之间在360°的范围内连接时，连接电感是很小的。因此，在高频时，能够提供很好的旁路作用。2.输入输出没有耦合：用于安装穿心电容的金属板起到隔离板的作用，使滤波器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避免了高频时的耦合现象。使用注意事项：穿心电容在受到高温焊接和温度冲击时，容易损坏，或降低可靠性。为了满足电子设备小型化的要求，穿心电容的体积越来越小。在将穿心电容焊接到面板上时，由于穿心电容与面板的热容量相差很大，会造成焊接局部温度过高,电容损坏。因此，当在大批量产品生产中使用穿心电容时，要请电容厂家协助设计焊接工艺。现在许多厂家开始提供焊接好的穿心电容阵列板。最好直接使用这种阵列板。

信号滤波器的滤波性能

信号滤波器的滤波性能是选用信号滤波器时的关键指标，滤波器的截止频率必须高于电缆上要传输的信号频率；滤波器3dB插入损耗所对应的频率为截止频率。订购产品时用滤波代码来表征滤波特性。根据具体情况，可以用三种方法确定截止频率:

模拟信号:信号的频率要低于截止频率。

脉冲信号:若上升/下降时间为tr，则1/πtr

小于截止频率。

若脉冲信号的重复频率是f，则15f小于截止频率。信号