電磁兼容_濾波技術(shù)

1、電磁兼容原理與設(shè)計(jì)第三章 濾波技術(shù)概述定義：濾波是從混有噪聲或干擾的信號中提取有用信號分量的一種方法或技術(shù)。濾波器的作用是：對某一頻率范圍的傳輸能量衰減很小，使能量容易通過；而對另一頻率范圍的傳輸能量有很大的衰減。濾波器的作用切斷干擾沿信號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)。信號濾波器電源濾波器濾波器分類電磁干擾濾波器插入損耗濾波器對EMI 傳導(dǎo)噪聲的抑制能力用插入損耗IL（Insertion Loss）來衡量，插入損耗定義為： 沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1 和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2 之比，用dB（分貝）表示。問題問題：可以用：可以用電壓來電

2、壓來表示表示嗎嗎？顯然，當(dāng) 時，IL大于零，IL越大，濾波效果越好21VV插入損耗根據(jù)圖 1 中功率與負(fù)載電壓（電流）及負(fù)載阻抗的關(guān)系變換，常用負(fù)載端電壓（電流）的比值來表示，即：濾波器頻率特性曲線插入損耗具有頻率特性濾波器頻率特性曲線實(shí)際曲線衰減衰減衰減衰減低通帶通高通帶阻3dB截止頻率截止頻率干擾濾波器多為干擾濾波器多為低通低通濾波器濾波器 因?yàn)閝電磁干擾大多頻率較高的信號，因?yàn)轭l率越高的信號越容易輻射和耦合q 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，防止對其它電路產(chǎn)生干擾。q 電源線上的雜波有較高頻率較高q頻率較高時，雜散電容和電感之間的相互串?dāng)_嚴(yán)重反射式濾波器反射濾波器，

3、是由無損耗(理想情況)的電抗元件構(gòu)成的，主要應(yīng)用于線路中，主要作用是將阻帶頻率反射回信號源的電子裝置。（通帶內(nèi)提供低串聯(lián)阻抗和高并聯(lián)阻抗，阻帶內(nèi)提供大的串聯(lián)阻抗和小的并聯(lián)阻抗。）普通的濾波器都是反射濾波器。低通濾波器低通濾波器是電磁兼容技術(shù)當(dāng)中用的最多的一種濾波器，用來控制高頻干擾。把有用的頻率的信號進(jìn)行通過，把高于某個頻率的信號進(jìn)行衰減。反射式濾波器低通濾波器分為并聯(lián)電容、串聯(lián)電感及型、型和型濾波器等。并聯(lián)電容濾波器并聯(lián)電容濾波器是最簡單的低通EMI濾波器，通常連接于攜帶干擾的導(dǎo)線與回路地線之間，它用旁路高頻能量，流通期望的低頻能量或者信號電流。其插入損耗為：式中顯示了插入損耗與頻率的關(guān)系。

4、但實(shí)際電容器存在電感，因此其衰減曲線是LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的衰減曲線。實(shí)際電容器的特性ZC理想電容f引線長1.6mm的陶瓷電容器 電容量 諧振頻率(MHZ) 1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 60實(shí)際電容1/2 LCCL巧用諧振點(diǎn)在某一點(diǎn)頻率上會發(fā)生諧振，超過諧振點(diǎn)，呈現(xiàn)電感特性，頻率越高，阻抗越大。因此，要使諧振頻率遠(yuǎn)高于干擾信號頻率?？头娙莘抢硐胄缘姆椒?大容量 頻率衰減小電容大電容并聯(lián)電容小容量v 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）

5、，小電容呈現(xiàn)電容特性，實(shí)際是一個LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這個LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致其阻抗為無限大，這時電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個頻率上有較強(qiáng)的干擾，就會出現(xiàn)干擾問題。 簡單的方案：大小電容并聯(lián)，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻。穿心電容穿心電容：小電感結(jié)構(gòu)使其諧振頻率可達(dá)1GHz以上，因此可用于高頻濾波。片狀電容器片狀電容器的引線電感幾乎為零：總電感可以減小到元件自身的電感，通常只是傳統(tǒng)電容器的1/31/5，因此其自身諧振頻率達(dá)到同樣容量引線電容器的2倍。串聯(lián)電感濾波器電感與寄生電容會形成并聯(lián)諧振，諧振點(diǎn)阻抗非常大，因此濾波器插入損耗非常大。超過諧振頻率點(diǎn)

6、后，濾波器回路實(shí)際上呈電容特性，其高頻濾波性能變差。ZL理想電感實(shí)際電感1/2 LC多級低通濾波器單級濾波器：頻率每增高一個量級，阻帶衰減增大20dB。多級濾波器：對于一個n級的濾波器（n為電感、電容元件的數(shù)量），它具有截止頻率外的阻帶衰減為（20n）dB/10倍頻程的特性，即每增加10倍頻率，阻帶衰減增加（ 20n ）dB。20406080100 fc 10fc 100fc 1000fc 5階 4階 3階 2階 1階20N/十倍頻程6N/倍頻程插入損耗dB多級低通濾波器q 電容并聯(lián)在要濾波的信號線與信號地線之間（濾除差模干擾電流）或信號線與機(jī)殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯(lián)在要濾

7、波的信號線上。q 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。q 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。 規(guī)律：電容對高阻，電感對低阻反高通濾波器從信號通道中排除交流電源頻率以及其它低頻外界干擾與低通濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有對稱性?？捎傻屯V波器轉(zhuǎn)換而成。轉(zhuǎn)換方法為：把每個電感L（H）轉(zhuǎn)換成數(shù)值為1/L（F）的電容C。把每個電容C（F）轉(zhuǎn)換成數(shù)值為1/C（H）的電感L。帶通濾波器與帶阻濾波器帶通濾波器：由高通濾波器串接低通濾波器即可成為帶通濾波器，要求高通的臨界頻率fc1必須比低通響應(yīng)的臨界頻率fc2小。帶阻濾波器：可用低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成，

8、對特定的窄帶內(nèi)的干擾能量進(jìn)行抑制。吸收式濾波器q 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。熱損耗，從而起到濾波作用。q 鐵氧體鐵氧體吸收型濾波器是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種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低通濾波器。鐵氧。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)率磁導(dǎo)率( (約為約為100100一一1500) 1500) 磁性材料。磁性材料。低頻電流可以幾乎無衰減地通過鐵氧體，高頻電流卻會受到

9、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鐵氧體濾波機(jī)理 Z(f）Z(f)RZL Z fKjKq 在低頻，磁芯的磁導(dǎo)率較高，磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感。q 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)高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。 鐵氧體濾波器鐵氧體的體積越大，抑制效果也越好。存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大越不易飽和，可承受的偏流越大。鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方，應(yīng)盡量靠近屏蔽外殼的進(jìn)、出口處。電源線濾波器電源線的

10、傳導(dǎo)騷擾電壓電源線濾波器抑制電源線干擾最主要而有效的方法電源EMI濾波器。 屬于低通濾波器，它不衰減直流、50Hz、400Hz的電源功率，但極大的衰減經(jīng)電源線傳入的EMI信號。同時，它又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號，防止其進(jìn)入電網(wǎng)。共模與差模電源與負(fù)載網(wǎng)絡(luò)具有相線（L）、中線（N）和地線（E）,故將電源線上EMI 噪聲分解為兩部分：L 與N 為差模傳導(dǎo)干擾IDM，L（或N）與E 為共模傳導(dǎo)干擾ICM 。任何電源線上的干擾都可用共模和差模干擾來表示。p 可看作獨(dú)立干擾來研究p 需同時濾波抑制共模噪聲產(chǎn)生來源被認(rèn)為是兩電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場耦合等；差模噪聲產(chǎn)生來源是脈動電流，開關(guān)器件

11、的振鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)特性。共模與差模L 稱共模扼流圈，是在一個閉合磁環(huán)上對稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對L（或N）與E 之間的共模干擾具有抑制作用，而對L 與N 之間存在的差模干擾無電感抑制作用。CX 電容接于L 與N之間，稱為差模電容；CY 接于L（或N）與E 之間，稱為共模電容或接地電容。共模扼流圈L差模電容Cx共模電容CyL LN NG G電源線濾波器共模干擾和差模干擾的分布頻率電源線濾波器的特性損耗頻率理想濾波器特性實(shí)際濾波器特性電源線濾波器的高頻特性差的主要原因有兩個，一個是內(nèi)部寄生參數(shù)造成的空間耦合，另一個是濾波器件的不理想性。因此，改善高頻特性的方法

12、也是從這兩個方面著手。內(nèi)內(nèi)部部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：濾波器的聯(lián)線要按照電路結(jié)構(gòu)向一個方向布置，在空間允許的條件下，電感與電容之間保持一定的距離，必要時，可設(shè)置一些隔離板，減小空間耦合。電電感：感：按照前面所介紹的方法控制電感的寄生電容。必要時，使用多個電感串聯(lián)的方式。差模及共模差模及共模濾濾波波電電容：容：電容的引線要盡量短。要理解這個要求的含義：電容與需要濾波的導(dǎo)線（火線和零線）之間的聯(lián)線盡量短。如果濾波器安裝在線路板上，線路板上的走線也會等效成電容的引線。這時，要注意保證實(shí)際的電容引線最短。30MHz越來越受到關(guān)注電源線濾波器小結(jié)Cx的電容量一般為0.11F。除了承受電源的額定電壓外，Cx兩端還會疊加

13、各種干擾電壓，可能遠(yuǎn)大于正常電壓。 將流過Cy1和Cy2的電流（即漏電流）控制在較小的范圍內(nèi)，Cy1和Cy2一般在110nF之間。 在電氣和機(jī)械性能方面，具有足夠的安全裕度，以避免可能發(fā)生的擊穿短路現(xiàn)象。電源線濾波器的安裝正確的安裝方式：1.安裝在設(shè)備或者屏蔽體的入口處；2.輸入輸出線要盡量短、不交叉、采用屏蔽隔離措施；3.外殼應(yīng)加屏蔽，且應(yīng)與設(shè)備的金屬殼體良好搭接。有源濾波器前述各種反射式濾波器都是由電容、電感、電阻等無源的集總參數(shù)元件構(gòu)成的無源濾波器。采用雙極型三極管、單極型場效應(yīng)管和集成運(yùn)算放大器等有源組件與無源組件相結(jié)合來模擬電感和電容的特性，可制成有源濾波器。有源濾波器有源濾波器種類1）用有源元件模擬電感線圈的頻率特性有源電感濾波器。2）用有源元件模擬電容器的頻率特性有源電容濾波器。 3）產(chǎn)生與干擾電流振幅相等，相位相反的電流，通過高增益反饋電路把電磁干擾對消濾波器。有源濾波器低頻性能好，但當(dāng)頻率提高時，由于環(huán)路增益在1以下，濾波效果很快降低組合使用，利用有源濾波器進(jìn)行低頻濾波，用無源濾波器對高頻進(jìn)行衰減。練習(xí)習(xí)題1關(guān)于電源濾波器的安裝位