电磁兼容3 滤波技术课件.ppt

1、电磁兼容原理与设计第三章 滤波技术2021/4/92概述定义：滤波是从混有噪声或干扰的信号中提取有用信号分量的一种方法或技术。滤波器的作用是：对某一频率范围的传输能量衰减很小，使能量容易通过；而对另一频率范围的传输能量有很大的衰减。2021/4/93滤波器的作用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。信号滤波器电源滤波器2021/4/94滤波器分类2021/4/95电磁干扰滤波器2021/4/96插入损耗滤波器对EMI 传导噪声的抑制能力用插入损耗IL（Insertion Loss）来衡量，插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1 和接入滤波器后

2、，噪声源传输到负载的功率P2 之比，用dB（分贝）表示。问题问题：可以用：可以用电压来电压来表示表示吗吗？显然，当 时，IL大于零，IL越大，滤波效果越好21VV2021/4/97插入损耗根据图 1 中功率与负载电压（电流）及负载阻抗的关系变换，常用负载端电压（电流）的比值来表示，即：2021/4/98滤波器频率特性曲线插入损耗具有频率特性2021/4/99滤波器频率特性曲线实际曲线2021/4/910衰减衰减衰减衰减低通带通高通带阻3dB截止频率截止频率2021/4/911干扰滤波器多为干扰滤波器多为低通低通滤波器滤波器 因为q电磁干扰大多频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合q

3、 数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必须滤除，防止对其它电路产生干扰。q 电源线上的杂波有较高频率较高q频率较高时，杂散电容和电感之间的相互串扰严重2021/4/912反射式滤波器反射滤波器，是由无损耗(理想情况)的电抗元件构成的，主要应用于线路中，主要作用是将阻带频率反射回信号源的电子装置。（通带内提供低串联阻抗和高并联阻抗，阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗。）普通的滤波器都是反射滤波器。低通滤波器低通滤波器是电磁兼容技术当中用的最多的一种滤波器，用来控制高频干扰。把有用的频率的信号进行通过，把高于某个频率的信号进行衰减。2021/4/913反射式滤波器低通滤波器分为并联电容、

4、串联电感及型、型和型滤波器等。2021/4/914并联电容滤波器并联电容滤波器是最简单的低通EMI滤波器，通常连接于携带干扰的导线与回路地线之间，它用旁路高频能量，流通期望的低频能量或者信号电流。其插入损耗为：式中显示了插入损耗与频率的关系。但实际电容器存在电感，因此其衰减曲线是LC串联网络的衰减曲线。2021/4/915实际电容器的特性ZC理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器 电容量 谐振频率(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实际电容1/2 LCCL巧用谐振点在某一点频率

5、上会发生谐振，超过谐振点，呈现电感特性，频率越高，阻抗越大。因此，要使谐振频率远高于干扰信号频率。2021/4/916客服电容非理想性的方法 大容量 频率衰减小电容大电容并联电容小容量v 美中不足：在大电容的谐振频率和小电容的谐振频率之间，大电容呈现电感特性（阻抗随频率升高增加），小电容呈现电容特性，实际是一个LC并联网络。这个LC并联网络在会在某个频率上发生并联谐振，导致其阻抗为无限大，这时电容并联网络实际已经失去旁路作用。如果刚好在这个频率上有较强的干扰，就会出现干扰问题。简单的方案：大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电容抑制高频。2021/4/917穿心电容穿心电容：小电感结构使其谐振

6、频率可达1GHz以上，因此可用于高频滤波。2021/4/918片状电容器片状电容器的引线电感几乎为零：总电感可以减小到元件自身的电感，通常只是传统电容器的1/31/5，因此其自身谐振频率达到同样容量引线电容器的2倍。2021/4/919串联电感滤波器电感与寄生电容会形成并联谐振，谐振点阻抗非常大，因此滤波器插入损耗非常大。超过谐振频率点后，滤波器回路实际上呈电容特性，其高频滤波性能变差。ZL理想电感实际电感1/2 LC2021/4/920多级低通滤波器单级滤波器：频率每增高一个量级，阻带衰减增大20dB。多级滤波器：对于一个n级的滤波器（n为电感、电容元件的数量），它具有截止频率外的阻带衰减为

7、（20n）dB/10倍频程的特性，即每增加10倍频率，阻带衰减增加（20n）dB。20406080100 fc 10fc 100fc 1000fc 5阶 4阶 3阶 2阶 1阶20N/十倍频程6N/倍频程插入损耗dB2021/4/921多级低通滤波器q 电容并联在要滤波的信号线与信号地线之间（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。q 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。q 不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。规律：电容对高阻，电感对低阻反2021/4/922高通滤波器从信号通道中排除

8、交流电源频率以及其它低频外界干扰与低通滤波器的网络结构具有对称性。可由低通滤波器转换而成。转换方法为：把每个电感L（H）转换成数值为1/L（F）的电容C。把每个电容C（F）转换成数值为1/C（H）的电感L。2021/4/923带通滤波器与带阻滤波器带通滤波器：由高通滤波器串接低通滤波器即可成为带通滤波器，要求高通的临界频率fc1必须比低通响应的临界频率fc2小。带阻滤波器：可用低通滤波器和高通滤波器并联构成，对特定的窄带内的干扰能量进行抑制。2021/4/924吸收式滤波器q 吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内吸收躁声的能量转化为吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内吸收躁声的能量转化

9、为热损耗，从而起到滤波作用。热损耗，从而起到滤波作用。q 铁氧体铁氧体吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种低通滤波器低通滤波器。铁氧。铁氧体是一种由铁、镜、锌氧化物混合而成，具有很高的电阻率，较高的体是一种由铁、镜、锌氧化物混合而成，具有很高的电阻率，较高的磁导率磁导率(约为约为100100一一1500)1500)磁性材料。磁性材料。低频电流可以几乎无衰减地通过铁氧体，高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发。它可以等效为电阻和电感的串联。电阻值和电感量都是随着频率而变化的2021/4/925铁氧体滤波机理 Z(f）Z(f)RZL ZfKjKq 在低频，磁

10、芯的磁导率较高，磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感。q 高频：阻抗由电阻成分构成。随着频率升高，磁芯的磁导率降低，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，电磁能量以热的形式耗散掉。2021/4/926铁氧体滤波器铁氧体的体积越大，抑制效果也越好。存在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大越不易饱和，可承受的偏流越大。铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方，应尽量靠近屏蔽外壳的进、出口处。2021/4/927电源线滤波器电源线的传导骚扰电压2021/4/928电源线滤波器抑制电源线干扰最主要而有效的方法电源EMI滤波器。属于低通滤波器，它不衰减直

11、流、50Hz、400Hz的电源功率，但极大的衰减经电源线传入的EMI信号。同时，它又能抑制设备本身产生的EMI信号，防止其进入电网。2021/4/929共模与差模电源与负载网络具有相线（L）、中线（N）和地线（E）,故将电源线上EMI 噪声分解为两部分：L 与N 为差模传导干扰IDM，L（或N）与E 为共模传导干扰ICM。任何电源线上的干扰都可用共模和差模干扰来表示。p 可看作独立干扰来研究p 需同时滤波抑制共模噪声产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄漏电流以及电磁场耦合等；差模噪声产生来源是脉动电流，开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复特性。2021/4/930共模与差模L 称共模扼流圈，

12、是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L（或N）与E 之间的共模干扰具有抑制作用，而对L 与N 之间存在的差模干扰无电感抑制作用。CX 电容接于L 与N之间，称为差模电容；CY 接于L（或N）与E 之间，称为共模电容或接地电容。共模扼流圈L差模电容Cx共模电容CyL LN NG G2021/4/931电源线滤波器2021/4/932共模干扰和差模干扰的分布频率2021/4/933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电源线滤波器的高频特性差的主要原因有两个，一个是内部寄生参数造成的空间耦合，另一个是滤波器件的不理想性。因此，改善高频特性的方法也是

13、从这两个方面着手。内内部部结构结构：滤波器的联线要按照电路结构向一个方向布置，在空间允许的条件下，电感与电容之间保持一定的距离，必要时，可设置一些隔离板，减小空间耦合。电电感：感：按照前面所介绍的方法控制电感的寄生电容。必要时，使用多个电感串联的方式。差模及共模差模及共模滤滤波波电电容：容：电容的引线要尽量短。要理解这个要求的含义：电容与需要滤波的导线（火线和零线）之间的联线尽量短。如果滤波器安装在线路板上，线路板上的走线也会等效成电容的引线。这时，要注意保证实际的电容引线最短。30MHz越来越受到关注2021/4/934电源线滤波器小结Cx的电容量一般为0.11F。除了承受电源的额定电压外，

14、Cx两端还会叠加各种干扰电压，可能远大于正常电压。将流过Cy1和Cy2的电流（即漏电流）控制在较小的范围内，Cy1和Cy2一般在110nF之间。在电气和机械性能方面，具有足够的安全裕度，以避免可能发生的击穿短路现象。2021/4/935电源线滤波器的安装正确的安装方式：1.安装在设备或者屏蔽体的入口处；2.输入输出线要尽量短、不交叉、采用屏蔽隔离措施；3.外壳应加屏蔽，且应与设备的金属壳体良好搭接。2021/4/936有源滤波器前述各种反射式滤波器都是由电容、电感、电阻等无源的集总参数元件构成的无源滤波器。采用双极型三极管、单极型场效应管和集成运算放大器等有源组件与无源组件相结合来模拟电感和电

15、容的特性，可制成有源滤波器。2021/4/937有源滤波器有源滤波器种类1）用有源元件模拟电感线圈的频率特性有源电感滤波器。2）用有源元件模拟电容器的频率特性有源电容滤波器。3）产生与干扰电流振幅相等，相位相反的电流，通过高增益反馈电路把电磁干扰对消滤波器。2021/4/938有源滤波器低频性能好，但当频率提高时，由于环路增益在1以下，滤波效果很快降低组合使用，利用有源滤波器进行低频滤波，用无源滤波器对高频进行衰减。2021/4/939练习习题1关于电源滤波器的安装位置，以下哪几个是正确的？哪几个是错误的？2021/4/940习题习题2试说电磁干扰滤波器与普通滤波器相比，有哪些特点？习题3电源线噪声多来自何处？习题4哪些是影响滤波器功能的主要因素？习题5如何将低通滤波器变成高通滤波器习题6简要说明如何设计带通、带阻滤波器习题7简述什么是反射式滤波器、什么是吸收式滤波器2021/4/941本章总结滤波器作用滤波器分类电磁干扰滤波器滤波器频率特性曲线插入损耗 截止频率反射式滤波器吸收式滤波器共模干扰与差模干扰电源线滤波器有源滤波器2021/4/943感谢您的阅读收藏，谢谢！