电磁兼容设计中的滤波方法

本文由 jimmy3973 贡献 pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 供配用电 ? 磁 容 电 兼 瓣誊嚣 嚣 孽 妻 黪 孽 。 嚣 爨曩 露剿 嚣 瓣 垂 电磁 兼容设 计 中的滤 波方 法 文 南京 因泰莱 电器股 份有 限公司 王大平 张 杭 赵新明 电磁兼 容设计实 际上就是针对 电子产 品中产 生的 电 扰进行优化设 ： 使之 成为符合各国或地 区电磁兼容性 标准的产 品。 电 磁干扰 一般 分为两种 传导干 扰 和辐射 干扰 。 电 （工备境 事受磁其 环成作或的 磁的对在 物 常的环电 境且系能 兼不 是该中 容能设统力 构指电 任 中）不扰磁 能承 骚 何 正 。 墨既导 电又有 电阻，是吸收 电磁波的 良好材料 ，它 不容易对 电磁波产生 反射 ，并对 电磁波产 生衰减作 用 。如果 只从 屏蔽效果来比较 ，石 墨对 电磁场 屏蔽 是评价产 品质量的一个重要指标 。 分 为 电磁干扰（ 电磁抗 扰 度（ 。 ） 和 ） 的效果的确不如导 电良好 的金属 ，但金属屏蔽也有 缺点，它最大 的缺 点就是产 生电磁波反射 ，并使 电 目前 ，世界上 很 多国家 对于 电子 信息产 品 的 磁反射波相互迭加 ，严重时会产生 电磁振荡 。 当被屏蔽干扰信号的波长正好与 金属机 壳的某 均有严格 的管制措施 ， 如美 国 欧盟 、 的 、日本的 及电气用品取缔法 ，大洋洲 的 个尺 寸接近的时候 ，金 属机壳很容易变成一个大谐 ， 加拿大 、 国等国家均有专司 的管 振腔 。当某一 干扰 信号 频 率正好在谐振腔 中产生谐 韩 制法规条文 ，对于销往这些 国家 或地区的产品都须 先经过测试合格 ，方 可合 法的运送 及销售。 振的时候 ，电磁波反而会被加强 。被加强的干扰信 号 ，一方面会破坏设备 自身 的正 常工 作；另一方面 干扰信号也会从金 属机 壳 的裂缝逃逸出去 ，产生辐 射干扰 。 任何直接穿透屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的 电磁兼容设计实 际上就是针对 电子产品 中产生 的电磁干扰进行优化设计 ，使之成为 符合各国或地 区电磁兼容性 标 准的产 品。 电磁干扰一般分 为 两 种 ，传导干扰和 辐射干扰 。传导干扰是 指通过导 电 介质把一个 电网络 上的信号耦合 （ 干扰） 另一个 到 失效 。 实际中 ， 多屏蔽严密 的机 箱（ ） 是由 在 很 机柜 就 于有导体直接穿过屏蔽箱而导致 电磁兼容试验失败 。 电网络 。辐射干扰 是指干扰源通过空 间把其信号耦 合（ 干扰） 另一 个电网络 。 到 判断这种问题 的方法是 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 问题的有效方法之 设计 为了使设备或系统达到 电磁兼容状态 ，通常应 用印制 电路板设计 、屏蔽机箱 、 电源线滤波 、信号 线滤波、接地和 电缆设计等技术 。 防止 电子 设备产生干扰最 好的方法是 ，采用金 属机 壳对 电磁场进行屏蔽 ，以及对 电源输 入电路 进 一 是在 电缆 的端 口处使用滤波器 ，滤除 电缆上不必 电缆上感应到 的环境噪 声传 进设备内。 要 的频率成分 ，减小 电缆产生 的电磁 辐射 ，也防止 滤波 干扰滤波在 设计 中作 用 概括地说 ， 滤波 器的作用是 仅允许 工作必需的 信号 频率通过 ，而对工作不必 需 的信号频率有很大 行隔离。并且还要对变压器也进行静 电感应和 磁感 应屏 蔽。 在塑料机壳内表面喷涂导电材料 也是一种对 电 的衰减作用 ，这样就使产生干扰 的机会减 少。 从 电磁兼容 的角度考虑 ，电源 线也是 一个 穿过 磁屏 蔽很 有效的方法 ，比如 ，在 塑料机壳 内表面喷 涂石 墨 ，对超高频 电磁屏蔽效果就非 常好 ，因为石 机 箱的导体 ，它对设备 电磁兼容性 的影 响与信号 线 年第 期 维普资讯 电 磁兼容 ? 供配用 电 婚辨 黪 黪 飘 姆 帮 髓 带 濯 是相同 的，因此 电源线上必须安装滤波 器。特别是 积小 ，效率高 ，稳 压范围宽外 ，强烈的电磁干扰发 差模干扰 电流 。 ） 干扰 电流在信号线与信号地 电缆 中，差模干扰 电流 是 由外界 电磁场在信号线和 近年来开关 电源广泛应用 ，开关电源的特征除 了体 线之 间（ 电源线 的相线和 零线之 间） 或 流动 。在信号 射也是一大特征 ，电源线上如果不安装 滤波 器 ，不 信号 地线构成 的 回路中感应的 。在电源线中 ，差模 可能满足 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 是因为两者除了都对 电 干扰 电流往往是 由电网上其他电器的 电源（ 特别是开 关电源） 发射 出的和感性负载通断时产生的 。 开关电源工作时 ，在电源线上既 会产生很强的 共模干扰 ，也会产生很 强的差模干扰 。电网中电感 性开关 的通断 ，会产生差模 的脉 冲干扰 ，空间的 电 磁波（ 信 、雷达和雷 电等） 电缆上 感应 出共模干 通 在 扰 ，台设备之 间的地线 电位导致共模 电流 。 磁干扰有较大的抑制 作用 外，分 别还 有一些特殊的 考虑 。信号线干扰滤波 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 线干 扰滤波 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） 。 干扰滤波 器的种类 滤波器的各种性能如 图 所示 。 共模干扰和差模 干扰 电缆上的干扰分为共模干扰电流和差 模干扰 电 流两 种 ，如图 所示 ，由于对 这两种干扰 电流 的滤 波方法不同 ，因此在进行滤波设计前必须 了解 面对 的干 扰 电流的种类。 镁 髅 镁 频 率 镁 懈 镁 髅 频 率 频 率 图 滤波器的性能 一 图 蓑模 电流和 共模 电流 共模干扰 电流 。干扰 电流在 电缆中的 ） 所有导线上幅度 ， 相位 相同 ， 它在 电缆与大地 之 间形成 的 回路 中流 动。 造成这种干扰 的原 因有三个 ：一个是外界 电磁场 在 电缆 中的所 有导线上感应 出电压（ 这个 电 压相对于大地是 等幅同相的） 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 的地 电位 不同 所致 ， 在这个地 电压 的驱 动 下产生电流 ； 第三 个原因是 设备上的 电缆与大地之间有 电位差 ， 这样 电缆上会有共模 电流。 从定义容易理解 ，共模电流不会对 电路 产生影响 ， 当共模 电流转变 为差模电流（ 电压） 时， 才会对电路产生影响 。 另外 ， 果电缆上 如 产生共模 电流 ， 则会产生强烈 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 其他设备造成干扰 。 熹三簟办篷科技有 螂 ： 毫 蚺 ： 上势叠 鲁： 羹： 嘲 中 ， 羹 太 广螂 ： 位 佰 一 ： 山素 毫鬻： ， 硎 ：嘲 龋 ： 慵 螂 一 ： 瑚 帕 裱 ， 莆： 朝嘲 并 舯 请： 囊岩玎 舔 ， 幛 一： 柏 一：位 矗 哪 并 幢 中羹太 ， 怕 ：目 目 量一： 啊墨毒打 瞄 瞳 蘑 ： 盈 蝤嘲 们 一 盈曩 翻犏 删 蜜 龃 鬻： 酊 蝴 ： ， ： 一 ： 翻 舯 位 悖 一： ： 维普资讯 供配用电 ? 磁 容 电 兼 ； 增 瓣露 曩 舞 囊 群 嚣 簦藏 囊 参黧 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 低 通 滤 波 器 的 阶 数 （ 件 数 ） 高 ，其 过 渡 带 越 元 越 短。 当严格按 照滤波器设计方法设 计滤波 电路时 ， 每 表 阻抗 与滤 波 电路 丁 一 工 工 一 一 一 工 工 工 工 工 工 增加 一个器件 ， 过渡带 的斜率增加 十倍频程 ， 或 倍 频程。因此 ，若滤波器 由个器件构成 ， 则过渡带的斜率为 十倍频 程 ，或 倍 频程 。两种情况 下要求过渡带较短 ，一种 情 况是 ： 干扰信 号 的频率 与 工作信 号频率 靠 的较近 时 ；例 如 ，有用信 号的频率为 ，干扰的频率 为 ，需要将干 扰 抑制 ，则要求滤波 器的阶数至少为 阶；另一种情况是 ：干扰的 强 度 图 低通 滤 波器 的种 类 通 滤波 器 和 带 阻 滤 波 器 等 种 类 。 电 磁 兼 容 设 计 中 ，低 通 滤 波 器 用 得 最 多 ， 因为 ： 电磁干扰大多是频率较高 的信号 ， ） 因为频率 越 高 的信 号 越 容 易 辐 射 和 耦 合 。 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 ，以防止 对其他 电路产生干扰 。 电源线上的滤波器都是低通滤波 器。 ） 较 强 ，需要抑 制量较大 。例如 ，有用信号的频率为 以下 ，干扰的频率 为 ，需要将干 扰抑 制 ，则要求滤 波器的阶数至少 为 阶 。 增加滤 波器的器件 数仅增加 了过渡 带的斜率 ， 而 不能改变滤波器的截止频率 。滤波器的截止频率 与滤波 器件的参 数有关。例 如 ，要增加滤波器对较 电容 的电容量 。 当信号频率与干扰频率靠得 很近时 ， 需要滤波 器的阶数较高 。考虑到器件 的误差 ，有时过渡带的 陡 度 不 能 达 到 理 论 值 ，因 此 要 留 有 一 定 的 余 量 。 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 敏感信号线上滤除 电源 谐 波 造 成 的干 扰 。 带通滤 波 器用在 信号 频率 仅 占较窄 带宽 的场 低频率干 扰的衰减 ，只能通 过增加 电感的 电感量或 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 波器用在干扰频率带宽较窄 ，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。 常用滤波 电路 在 电磁干扰抑制 中 ，低通滤 波器使用 得最多 。 阻抗与滤波 电路关系如表所示 ，可根 据下表选 用 滤 波 电路 。 实际 电路的 阻抗很难估算 ，特别是在 高频时 ， 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 实际中 ，哪一种滤波器有效主要靠试验确定 。 滤波 器的 电路形式 确定以后 ， 需要确定 电感 、 因此下面对低通滤波器作较详尽的介绍 。低通 滤波 器的种类如图 示 。 所 常 用的低 通滤 波器 是用 电感 和 电容 组 合而成 加 上在不 同的频率上 电路 阻抗也不一样 。因此 ，在 的 ，电容并联 在要滤波的信号线与信号地线之 间或 信号 线与机 壳地或大地之 间，电感 串联在要滤波 的 信号线上 。 电容 的参数。电感 、电容的参数决定 了滤波器 的截 止频率 。 实际的 电容器除 了电容量 以外 ， 还有 电感和 电 阻分量 ， 用 串联 网 络来等效 。 实际 电容器当发生 串联谐振 时电容的阻抗最小 ，旁路效果最好 。超过 谐振 点后 ， 电容器的阻抗特性呈现电感阻抗的特性 ， 按照电路结构分 ， 有单 电容型（ 型） 单 电感型 、 （ 型） 、型和反 型、型和 丌型。不同结构的滤 波 电路主要有两 点不 同。 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 。 不同结构的滤波电路适 合于不 同的源 阻抗和 ） 即随频率 的升 高而 增加 ， 旁路效果开始变差 。 时 ， 这 作为 旁路器件 使 用的 电容 器就开始失去 旁路作用 。 电磁 兼容设计 中使用的 电容要求谐振频 率尽 量高 ， 负载 阻抗 。 制作 有效的滤波器 电与时代 年第 期 维普资讯 电 磁兼容 ? 供配用 电 这样才能够在较宽的频率范 围（ 内起 ） 珠对高频信号 的涡流 损耗 ， 高频成分转化为热损 把 耗。 因此磁环和磁珠 实际上对 高频成分起吸 收作 用 ， 所以有时也称之为吸收 滤 波器。不 同的铁氧体抑制 到有效 的滤 波作用 。提 高谐振频 率的 方法 有两个 ， 一 个是尽量缩短 引线 的长度 ，另一个是选用 电感较 种电容。在谐振 点以下及附近 ，实 际电容 的阻抗 小的种类。从这个 角度考 虑 ，陶瓷 电容是最理想 的 一 元件 ，有不 同的最佳 抑制频率范 围。通 常磁导率越 高， 抑制的频率就越低 。 此外 ， 铁氧体的体积越大 ， 抑 制效果越 好。在体积一 定时 ，长而细 的形状 比短 比理 想电容的要 低 ，因此 当干扰 的范围较窄时 ，可 以利用这个特性 ，通过调整 电容器的 电容量和 引线 而 粗的抑制效果好 ，内径 越 小抑制效果也越好 。但 长 度来使谐 振频率 正好落 在干扰 频率上 （ 附近） 或 ， 提 高滤 波效 果。陶瓷 电容 的容 量随 着工作电压 、电 在 有直 流或 交流偏流的情况下 ，还存在铁氧体饱和 的问题 ，抑 制元件横 截面越大 ，越 不易饱和 ，可 承 流频率 、时 间和环境温度等变化 ，电容器使用的介 质介 电常数越高 ，这些参数越不稳定 ，这是必须 引 受 的偏 流越 大。 吸收 磁环 磁珠抑制差模干扰 时 ，通过它的 电流 值正 比于其 体积 ，两者失调造成 饱和 ，降低 了元件性能 ；抑制共模干扰时 ，将 电源 的两根 线（ 正负） 同时 穿过一个磁 环 ，有效信号为差 模信号 ， 吸收 磁环 磁珠 对其没有任何 影响 ， 而 对于共模信号则会表现 出较大 的电感量。 起注意 的。另外 ，介 电常数高的电容器容易发生击 穿 ，在需要做浪涌试验的场合 ，一定要注意 。之所 以使用介 电常数高的介 质 ， 为了在较 小的体积 内 是 获得较大的容量 。电磁兼容设计所 面对 的往往是宽 带干扰信号 ，频率 范 围从 几千赫到 以上 。要 滤除这么宽频带的干扰 ，在 电容和 电感 的使用 上要 十分注意。从前面 的讨论 知道 ，普通 电容 器很难 解 结束语 电磁兼容设计 是一个技巧性很强的工作 ，同时 领域又是一个试验性很 强 的学科 ， 必须做 大量 的试验并加以分析 、 判断 ， 需要大量的经验积累 ， 不 断实践才会有所提高 。 （ 收稿 日期 ： ） 决 这个问题 。在实践 中，克服 电容非理想性 的方法