电磁兼容滤波器设计课件

1、第05章电磁兼容滤波器设计How to design the filters of EMC/EMI第05章电磁兼容滤波器设计学习要点与要求学习要点：电磁干扰滤波器工作原理与分类常用滤波器元件滤波器的选用与安装学习要求：熟悉并掌握滤波器工作原理和分类；掌握电磁干扰的分类；初步了解常用滤波器元件和正确的选用与安装第05章电磁兼容滤波器设计第05章 章节内容51、干扰的分类52、电磁干扰滤波器53、常用滤波器元件54、滤波器的选用和安装第05章电磁兼容滤波器设计5.1 干扰的分类 干扰信号对电器设备的正常工作产生程度不同的影响，是通过对电器设备的电路进行干扰的。 其实是通过在这些电路的控制信号、通信

2、信号或者其他有用信号中产生不利于其正常工作的噪声来干扰的。 噪声的类型通常按照噪声产生的原因、噪声传导模式、噪声波形的性质的不同来分类的。第05章电磁兼容滤波器设计1、噪声产生的原因分类1）、放电噪声：2）、高频振荡噪声：3）、浪涌噪声：雷电、静电、开关闭合、电动机电刷跳动等放电产生的噪声；中高频电弧炉、感应电炉、开关电源、AC-DC变换器等产生高频振荡时产生的噪声；AC电动启动电流、变频器开关导通、电炉合闸等产生的涌浪电流引起的噪声。第05章电磁兼容滤波器设计2、传导模式分类的噪声1）、差模噪声 或称线间感应噪声或对称噪声；（串模噪声、常模噪声、横向噪声）。ININISISR受干扰设备Noi

3、seUN 干扰电流 IN （IDM)在信号和信号地线间的回路中感应出来的。电流小，往往时电网上其他电源发出的或者是感性负载通断时产生的。这种噪声一般难以除掉。第05章电磁兼容滤波器设计差模噪声的产生示意图差模电流示意图IDM差模电流产生 电网中电感性开关的通断，会产生差模的脉冲干扰。第05章电磁兼容滤波器设计2）、共模噪声 或称地间感应噪声或不对称噪声（纵向噪声） ；ICM/2ICM/2ISISR受干扰设备UNNoiseUNICM噪声侵入线路和地线之间：（1）外界磁场感应（2）电缆两端电位不同（3）电缆与大地间电位差特点：这个共模电流ICM很大，对电电路本身不影响，但对其他设备影响大。第05章

4、电磁兼容滤波器设计共模噪声产生图示共模电流示意图ICM共模电流产生1VICM共模电流产生2VICM共模电流产生3空间的电磁波（通信、雷达、雷电等）在电缆上感应出共模干扰。两台设备之间的地线电位导致共模电流。开关电源工作时，在电源线上既会在产生很强的共模干扰，也会产生很强的差模干扰。第05章电磁兼容滤波器设计3）共模噪声转化为差模噪声12NZ1Z2LIN1IN2UN2UNUN1INZ1Z2Z1Z2通常：输出/输入线与大地或者机壳之间发生的噪声是共模噪声、信号线受到静电感应时产生的噪声也属于共模噪声。第05章电磁兼容滤波器设计3、噪声波形和性质分类1）、持续正弦波2）、偶发脉冲电压波形 多以频率、

5、幅值等特征值表示，是一种典型的周期噪声。常见的为50Hz的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为纹波，出现在声音信号中，表现为惹人烦的交流声音，出现在视频影像信号中，表现为横条干扰。例如 多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽度以及能量等特征值表示。如雷击波、接点分断电感负载和静电放电等波形。此类噪声周期性不明显，在通信信号中，容易引起突发误码。第05章电磁兼容滤波器设计3、噪声波形和性质分类 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。如接点分断电感负载和接点反复重燃过电压等。该类噪声呈现一定的周期性，能量较大，同时也比较难以消除。3）、脉冲列噪声是一种能量，由干扰

6、引起的。 要抑制它，减少或者消除对设备电路的干扰，可以采用不同的滤波器。设计或者选用滤波器，摆在我们面前。第05章电磁兼容滤波器设计如：开关电源噪声 50Hz的奇次谐波（1、3、5、7 。 ） 开关频率的基频和谐波（1MHz以下差模为主，1MHz以上共模为主）第05章电磁兼容滤波器设计开关电源产生的噪声有两类：第一类： 由于非线性产生的，为电源基频的奇次谐波。电磁兼容标准对这种谐波发射的都有限制。（GJB 151A中的 CE101）第二类： 开关工作模式产生的，频率较低的成分以差模形式出现在电源输入线上，频率较高的成分以共模形式出现。共模噪声是由于高频成份辐射产生的：1、三极管与散热片之间的寄

7、生电容，将三极管的开关噪声耦合导地线上；2、脉冲回路产生的辐射感应导所有导线上；负载电流越大，或输入电压越低，则差模干扰越强；共模干扰当输入电压最高时，最大，与负载无关。返回第05章电磁兼容滤波器设计5.2 电磁干扰滤波器0、引言滤波器的作用 滤波器的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必须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为最少。通常在以下情况下需要对电路进行滤波处理： 高频系统中：为了抑制工作频带以外的任何带外的频率能量的干扰。 在信号电路中：为了消除频谱成分不同于有用信号的干扰信号。 在电源电路、操纵电路、控制电路以及转换电路中：为了消除沿这些电路的瞬态电流或

8、电压脉冲的干扰。第05章电磁兼容滤波器设计滤波技术 在保证电磁兼容性中，屏蔽、接地起着非常重要的作用，它们和滤波一起，构成了对电磁干扰进行抑制的三大技术。 其中它们在对电磁干扰进行抑制的过程中分别起着不同的作用：屏蔽主要是为了防护辐射干扰。接地主要是为了防护辐射和传导干扰滤波则主要是为了防护传导干扰。第05章电磁兼容滤波器设计1、电磁干扰滤波器的工作原理 允许有用信号的频率分量通过，同时又阻止其他干扰频率分量通过。信号滤波器电源滤波器 工作方式1：不让无用信号通过，还把它们反射回信号源；工作方式2：把无用信号在滤波器中消耗掉 。工作原理：第05章电磁兼容滤波器设计信号滤波器电源滤波器 从电磁兼

9、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，没有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。第05章电磁兼容滤波器设计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第05章电磁兼容滤波器设计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。

10、30MHz越来越受到关注第05章电磁兼容滤波器设计2、电磁干扰滤波器的特征 电磁干扰滤波器是用于抑制干扰信号的，因此有别与普通滤波器： 1）足够的机械强度、安装方便、工作可靠。重量轻、尺寸小、结构简单等。 2）能够在大电流和大电压下长期工作，对有用信号消耗小，传输效率最大。 4）在工作频率范围内要有较高衰减率。 3）干扰信号带宽宽（20Hz20GHz)，因此分析时用集总参数等效电路分析不适用。 5）干扰源的不定性，可能导致滤波器出现饱和效应。 6）电源系统的阻抗与干扰源的阻抗值变化范围大，比较难以找到固定的阻抗值，使其在阻抗匹配下工作。第05章电磁兼容滤波器设计3、普通滤波器的主要特征 滤波器

11、是在进行电路和系统设计与分析的时候，要用到的非常重要的一种电路器件和模型。无论在数字电路还是在模拟电路中，都广泛地应用到了滤波器这个概念，以用来对不希望出现的信号进行滤除或抑制。从而使电路系统达到较高的信噪比和最好的工作性能。 在讨论滤波器的时候，通常要考虑它的一些特性：如额定电压、额定电流、频率特性，输入输出阻抗、插入损耗以及传输频率特性等。其中最为重要的是滤波器的频率特性。滤波器的频率特性 是指滤波器抑制干扰能力的参数：如中心频率、截止频率、上升和下降斜率等参数。第05章电磁兼容滤波器设计插入损耗与传输特性插入损耗传输特性=式中Lin：插入损耗，单位：dBU1：接入滤波器后，信号源在负载上

12、建立的电压。U2：不接入滤波器时，信号源在同一负载上建立的电压。式中：信号的角频率Uo：滤波器输出信号。Ui：滤波器输入信号。第05章电磁兼容滤波器设计滤波器的种类衰减高通衰减带通衰减带阻衰减低通3dB截止频率第05章电磁兼容滤波器设计滤波的实施 在对设备进行电磁干扰的滤波的实施时，主要从两个方面进行。 1、对干扰源实施滤波，是为了预防不希望的电磁振荡沿与设备相连的任何外部连接线传播到设备；2、对敏感设备（接受设备）实施滤波，则就应该消除沿上述连接线作用在敏感设备上的干扰的影响。第05章电磁兼容滤波器设计4、滤波器的分类信号滤波器电源滤波器1）作用对象分类信号滤波器： 安装在信号线上的滤波器称

13、为信号线干扰滤波器。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： 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，没有可能满足电磁兼容的要求。电源滤波器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）。 电源滤波器实际上是一种低通滤波器。通常是把50Hz和400Hz的低频电源功率传到设备电路，但是把经电源传输的干扰（骚扰）信号都大大抑制。第05章电磁兼容滤波器设计2）抑制方式划分两大类：A反射式和B吸收式A反射式 电容器和电感器组成，可以阻止无用信号通

14、过，把它们反射回信号源，常有带通、带阻、高通和低通几种形式。第05章电磁兼容滤波器设计B吸收式第5节讨论的LC滤波器是反射型滤波器，它的缺点是：当它的信号不匹配时，有一部分的有用能量将被反射回信号源，从而导致干扰电平的增加。此时若使用吸收型滤波器，则可以抑制不需要的能量使之转化为热损耗，而仍保证有用信号顺利传输。吸收型滤波器一般做成介质传输线形式，所用的介质可以是铁氧体材料，也可以是其它损耗材料。 将不希望的信号吸收掉，达到滤波目的。常有(1)有损耗滤波器、(2)有源滤波器、(3)电缆滤波器等。第05章电磁兼容滤波器设计(1)有损耗滤波器 基本原理： 采用高损耗材料系数或者高损耗角正切的电介质

15、，把高频电磁能量转化成热能。所用的介质可以是铁氧体材料，也可以是其它损耗材料。 实际中采用铁氧体一类材料制成柔软的磁管，称为电磁干扰磁管，可以在绝缘或者非绝缘的导通上滑动。由于其没有饱和特性和谐波特性，所以可以在0Hz以上的所有频率范围内使用。第05章电磁兼容滤波器设计(2)有源滤波器 采用电路技术模拟电感和电容的特性，可制成有源滤波器。特点： 功率大、体积小、重量小。可以有效地工作于很低的阻抗量级（1欧姆），在电源频率附近仍 有较好的调整特性。有源滤波器1-电感滤波器： 用有源元件模拟电感线圈的频率特性，对干扰信号形成一个高阻抗电路，称为有源电感滤波器。有源滤波器2-电容滤波器: 用有源元件

16、模拟电容器的频率特性，将干扰信号短路到地，称为有源电容滤波器。第05章电磁兼容滤波器设计有源滤波器3对消滤波器 一种能产生与干扰电流振幅相等、相位相反的电流，能过高增益反馈电路把电磁干扰抵消掉的电路。如下图所示。误差放大器陷波滤波器AFC负载EMI交流电源用于抑制电源线路干扰的有源滤波器第05章电磁兼容滤波器设计(3)电缆滤波器： 电缆滤波器是将具有一定磁导率和电导率的柔性铁氧体磁心包在载流线上，然后在磁心上再密结一次磁导线，用来增加正常的集肤效应，提高对干扰的吸收作用。 把上述的吸收型滤波器（一段损耗电缆）外面再加上一层高压绝缘，就形成了电缆滤波器。 把上述的吸收型滤波器（一段损耗电缆）和反

17、射型滤波器串接起来，就可以更好地抑制高频干扰。按照此方式构成的滤波器，既有陡峭的频率特性，又有很高的阻带衰减。第05章电磁兼容滤波器设计电缆滤波的方法屏蔽盒馈通滤波器连接器滤波连接器虽然是最佳选择，但是当空间允许时，也可以这样：第05章电磁兼容滤波器设计小结：滤波器的基本形式滤波器的分类：按滤波器的频率特性来分：低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按滤波机理来分：反射型滤波器吸收型滤波器按滤波器的形式来分：有T型滤波器型滤波器C型滤波器L型滤波器第05章电磁兼容滤波器设计滤波器的基本形式Rs小RL大T形滤波器Rs大RL大形滤波器RL大L形滤波器Rs小Rs大RL小形滤波器第05章电磁兼容滤波

18、器设计5、常用反射式滤波器 滤波器可以由无源元件（R、C、L）或有源器件组成。作为电路的传输网络不选择地阻止带外成分的通过，完成滤波作用。带阻滤波器带通滤波器高通滤波器低通滤波器第05章电磁兼容滤波器设计1）、带阻滤波器 对于特定窄频带内把电磁干扰的能量进行衰减的一种滤波器。3dB衰减（dB） c1c2带阻滤波器频率特性截止频率第05章电磁兼容滤波器设计带阻滤波器的作用：1）、在音频放大器输入端或级间连接端可以抑制混频振荡器或者中频的馈入，抑制雷达脉冲重复频率，外差振荡等；2）、在直流或者交流配线上，抑制计算机时钟波动。整流纹波以及雷达脉冲重复频率；3）、在接收机输入端抑制强的外干扰，否则这些

19、干扰容易产生过载；4）、在接收机输入端抑制中频输入干扰；5）、在接收机输入端抑制影像信号频率；6）、在发射机输出端或级间连接可以抑制谐波。第05章电磁兼容滤波器设计2）带通滤波器 带通滤波器与带阻滤波器相反，把特定窄频带外的能量抑制（衰减）的一种滤波器。 带通滤波器并接与干扰线和地线之间，以消除电磁干扰。通常用于信号频率仅占教窄的带宽的场合。3dB衰减（dB） c1c2带通滤波器频率特性截止频率第05章电磁兼容滤波器设计3）、高通滤波器 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的一种滤波器。c衰减（dB）3dB截止频率高通滤波器频率特性 通常用在干扰信号比设备正常工作信号频率低

20、的场合，如一些靠近电源线的敏感信号线上消除电源谐波造成的干扰。第05章电磁兼容滤波器设计4）、低通滤波器 通常用在干扰信号比设备正常工作信号频率低的场合，如数字设备中脉冲信号中丰富的高次谐波干扰。 电源线滤波也是低通滤波器。其典型的频率特性示意图如右。c衰减（dB）3dB截止频率低通滤波器频率特性 在抗干扰技术中，使用的最多的就是低通滤波器:低通滤波器可以用于交流、直流电源线路，也可以用于放大器电路和发射机输入和输出电路,低通滤波器具有衰减脉冲噪声、尖峰噪声、减少谐波和其它杂波信号等功能。第05章电磁兼容滤波器设计6、低通滤波器（ 1 ）分类RL大T形滤波器Rs小Rs大RL大形滤波器RL大L形

21、滤波器Rs小Rs大RL小形滤波器单电容型（ 形）、单电感型（L形）、 T形、 形第05章电磁兼容滤波器设计1）电容滤波器ACiC出入A)第05章电磁兼容滤波器设计讨论： 频率升高，2f，滤波器输出电压衰减逐渐增加，起到低通滤波的目的。 该低通滤波接在干扰源线间可以衰减差模噪声；接在干扰源和地线间可以衰减共模噪声；接在PCB中的直流电源线和地线间可以抑制电源噪声。C1出入C2B）C1出入C2C3C） C)结构结合A和B，主要把噪声电流旁路入地。有效消除共模噪声。 B)结构表示电容中点接地，主要把噪声电流旁路入地。有效消除共模噪声。第05章电磁兼容滤波器设计2）电感滤波器LLiLiLUOUi 显然

22、：频率升高，2f，电感两端电压UL升高，而电感串联在线路中，因此滤波器输出UoUiUL将衰减，起到滤波效果。A电感型滤波器输入输出频率特性 电感滤波器中电感器元件：要求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特点。第05章电磁兼容滤波器设计讨论：共模扼流圈/不易饱和的磁心线圈ifif负载C)isis负载D) C图中共模扼流圈的绕线方向相反，线圈中负载电流方向也相反，所以形成磁场互相抵消，显然不会磁饱和。同理，出现差模噪声，其电流与负载电流一样也互相抵消，电感几乎不起作用。 D图中当出现共模噪声，两个线圈产生的磁通方向相同，使电感作用加倍，从而对线路与地线间的共模噪声起到很强的抑制作

23、用。第05章电磁兼容滤波器设计3）、RC低通滤波器形UiUORC1f / f hA第05章电磁兼容滤波器设计RC低通滤波器形UiUOCCR 由此可以看出形与L形具有相同的传递函数，即相同的衰减系数。 实际上，由于信号源不可避免含有内阻，所有导致型滤波器和信号源连接后。R 相当于两级L形滤波器级联，这样对于滤波器特性将大大改善。第05章电磁兼容滤波器设计RC低通滤波器T形UiUOCRR 由此可以看出T形与L形具有相同的传递函数，即相同的衰减系数。 实际上，这种滤波器常常用于负载阻抗很小的情况。因为它要比应用L形或者形滤波器时的负载电流小，减轻了信号源的负担。 RC滤波器：制造简单，价格便宜；体积

24、小，同时对外界磁场变化敏感度也小；比较广泛用于信号传输线路中的噪声抑制。第05章电磁兼容滤波器设计4）、LC低通滤波器形UiUOCLI第05章电磁兼容滤波器设计与RC滤波器比较： 可见，LC低通滤波器有更好的滤波性能。 但是电感线圈制造麻烦，不利于大规模生产，也不便于集成化和小型化，因此应用有较大的局限。第05章电磁兼容滤波器设计UiUOCLCI形形与L形有相同的衰减系数。 同样，形在连接了含有内阻的信号源，形成了一个RC和一个LC滤波器级联，有效的改变了滤波特性。第05章电磁兼容滤波器设计UiUOCLLT型 T形与L形也有相同的衰减系数，即与之有相同的滤波特性。 实际上，这种滤波器常常用于负

25、载阻抗很小的情况。因为它要比应用L形或者形滤波器时的负载电流小，有效的减轻了信号源的负担。第05章电磁兼容滤波器设计根据阻抗选用滤波电路 源阻抗 电路结构 负载阻抗 高 C、多级 高 高 、多级 低 低 反、多级反 高 低 L、多级L 低 规律：电容对高阻，电感对低阻 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试验的结果确定。第05章电磁兼容滤波器设计7、低通滤波器（ 2 ）结构选择 根据实际系统

26、信号源含有内阻，负载含有输入阻抗，因此在选择低通滤波器时的电路结构常用：RL小T形滤波器Rs小RL大Rs大形滤波器Rs大RL小L形滤波器RL大型滤波器Rs小第05章电磁兼容滤波器设计8、低通滤波器（ 3 ）平衡结构与串联形式对称结构：抑制共模干扰信号UiUOR/2CR/2WHY?自行推导，并说明原因！第05章电磁兼容滤波器设计串联结构（级联）：衰减系数大。UiUOC2C1R2R1I(s)I1(s)I2(s)第05章电磁兼容滤波器设计 说明在某一频率下可能振荡！同时也得出两个独立的一阶RC滤波器，级联后可以形成一个二阶网络。导致起频率特性发生了变化。 频率特性发生变化的根本原因是后级成立前级的负

27、载！讨论： 若使后级的RC阻抗增大，对前级造成的负载效应忽略不计，则形成两个独立的网络级联 （串联），分析如下：第05章电磁兼容滤波器设计UiUOC/mCmRR后级阻抗为：即后级阻抗为前级阻抗的m倍。网络级联分析:第05章电磁兼容滤波器设计推论：3级或者更多级级联（串联）UiUO1C/mCmRRC/m2m2RUOUO2I1(s)I2(s)I3(s)RC=T结论：RC低通滤波器级联工作时，若后级电阻是前级的m倍，电容减小为前级的1/m，则一级滤波器可以衰减20dB/十倍频，二级可以衰减40dB/十倍频，三级可以衰减60dB/十倍频，级数越多，衰减系数越大。第05章电磁兼容滤波器设计实例：有源滤波

28、器衰减级数的增大CRRCUoUi电压跟随器，输入阻抗为无穷大 从而实现了加大后级滤波器的输入阻抗的目的，实现了高频带的衰减系数增加的目的。第05章电磁兼容滤波器设计补充：低通滤波器的相关计算基本低通原形滤波器0衰减dB10203040501频率1003db截止点通带阻带121121第05章电磁兼容滤波器设计基本低通原形滤波器 原形滤波器是指截止频率为1rad/s，阻抗量级为1欧姆的滤波器，这种滤波器本身没有价值，但通过下面的法则进行带宽和阻抗的换算，它能够分析有实用价值的低通滤波器。原形滤波器1、带宽的换算：所有电抗分量除以弧度为单位。截止频率c=2fcLa= Lb/2fcCa= Cb/2fc

29、其中下标a表示换算后，b表示换算前第05章电磁兼容滤波器设计基本低通原形滤波器2、阻抗换算 所有电阻和电感乘以预期的源和负载的阻抗量级，所有电容除以预期的阻抗量级ZRa=ZRbLa=ZLbCa=Cb / Z第05章电磁兼容滤波器设计基本低通原形滤波器综合前两个换算，可以进行合并运算。Ra=ZRbLa=ZLb/2fcCa=Cb/（Z2fc）3、带宽和阻抗综合换算第05章电磁兼容滤波器设计低通原形滤波器的转换实现如果由上面的方法，进行转换，得到截止频率为1MHz，阻抗为50欧姆的低通滤波器。则单个电容和电感低通滤波器的插入损耗为：IL=10lg(1+k2) dB其中k= fRC(单个电容滤波器)k

30、= f L/R(单个电感滤波器)121121第05章电磁兼容滤波器设计低通原形滤波器的转换实现右图为截止频率为1MHz，阻抗为50欧姆的低通滤波器。上图为单个电容低通滤波器；下图为单个电感低通滤波器。5016uF50506400pF50第05章电磁兼容滤波器设计几种频率响应的函数滤波器巴特沃思响应：？ 在通带内具有最平坦的振幅响应。但是时域响应在其通带内，在截止频率附近会出现某些相位延迟和时间延迟失真。第05章电磁兼容滤波器设计巴特沃思滤波器电容输入-输出 n=奇数电容输入-输出 n=偶数图1的对偶网络基本n级低通原型滤波器C1C2Cn图1C1C2Cn-1图2C1Cn-1图3第05章电磁兼容滤

31、波器设计几种频率响应的函数滤波器契比雪夫响应：、？ 在通带内具有最平坦的振幅响应。但是时域响应在其通带内，在截止频率附近会出现某些相位延迟和时间延迟失真。第05章电磁兼容滤波器设计几种频率响应的函数滤波器贝塞尔响应：？ 在通带内具有最平坦的振幅响应。但是时域响应在其通带内，在截止频率附近会出现某些相位延迟和时间延迟失真。第05章电磁兼容滤波器设计几种频率响应的函数滤波器巴特沃思-汤普森响应：？ 在通带内具有最平坦的振幅响应。但是时域响应在其通带内，在截止频率附近会出现某些相位延迟和时间延迟失真。第05章电磁兼容滤波器设计低通滤波器的计算例：工作频率范围为（2-30）MHz的灵敏高频接收机，为保

32、证其前端不受附近某甚高频发射机，设其工作频率范围为66-72 MHz的影响，需接入低通滤波器。设接收机天线的阻抗为72欧姆，要求低通滤波器的带外衰减至少有30db。第05章电磁兼容滤波器设计低通滤波器的计算0120204060801001012342030100滤波器的衰减与频率的关系dB滤波器的衰减相对频率f/fcon=1n=2n=3n=4n=56789101520第05章电磁兼容滤波器设计解：C1=C5=0.618FC3=2.00FL2=1.618HL4=1.618H 为保证在元件公差为5%时出现的截止频率不低于30MHz，可选择32MHz为设计时的截止频率；而最低的干扰频率fi=66MH

33、z，其归一化（相对）频率变成 f= fi /fc=66/32= 2.06。 查上图的滤波器衰减特性，可知为在相对频率2.06时获得不小于30db的衰减，所需的级数n=5.查表得下图所示的五级低通巴特沃思原型滤波器的各个元件值； 五级低通巴特沃思原型滤波器C1C3 C511L2L4第05章电磁兼容滤波器设计利用前述的换算法则即得到下图所示的截止频率为32MHz、源和负载阻抗皆为72欧姆的五级低通滤波器。图中电路元件值为：Rg=RL=72欧姆C1=C5=Cb/(Z2fc) =0.618/(722 32 106)=43pFC3= Cb/ (Z 2fc）=2.00/(72 2 32 106)=138p

34、FL2=L4=Z Lb/2fc=72 1.618/(2 32 106)=0.58uH43pF138pF43pF72720.58uH0.58uH第05章电磁兼容滤波器设计 该低通滤波器的频率响应如下图所示，可见频率为66MHz处的衰减为31dB，满足要求。通带内的插损在30MHz时约为2dB，在28MHz以下则低于1dB。0102030405060304050607080253545五级低通滤波器的频率响应频率MHzdB第05章电磁兼容滤波器设计插入损耗的估算Fco = 1/(2 Rp C)Zs、ZL并联IL = 20 lg(CRp)ILIL = 20 lg(L/Rs)Fco = Rs/(2 L

35、）Zs、ZL串联ZLCZsZsLZL第05章电磁兼容滤波器设计器件参数的确定LCRR L = R / 2FC C = 1 / 2RFC对于T形（多级T）和 形（多级）电路，最外边的电感或电容取 L/2 和 C/2，中间的不变。第05章电磁兼容滤波器设计5.3 常用滤波器元件4、滤波连接器2、电感3、铁氧体EMI抑制元件1、电容器第05章电磁兼容滤波器设计1、电容器消除电路高频的骚扰；电源的解耦作用；1）、实际电容器的特性2）、电容器的种类和选用3）、电容器使用注意事项4）、电容器的型号及容量表示法电感第05章电磁兼容滤波器设计实际电容器的特性 实际的电容器除了电容量以外，还有电感和电阻分量。电

36、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。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，用LC串联网络来等效。CLR（1）实际电容器的等效电路第05章电磁兼容滤波器设计（2）对滤波特性的影响：ZC实际电容理想电容f1/2 LC 实际电容器当角频率为1/LC时，会发生串联谐振，这时电容的阻抗最小，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 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失去旁路作用。讨论： 理想电容器的阻抗随频率升高而降低，但是实际电容器阻抗：在频率低时候，随频率升高而降低，到谐振点后，阻

37、抗随频率升高而增加了。原因：是因为电感的存在。第05章电磁兼容滤波器设计讨论：ZC实际电容理想电容f1/2 LC 巧用谐振点：从图中可以看出，在谐振点以下及附近，实际电容的阻抗比理想电容的要低，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长度来使谐振频率正好落在干扰频率上（附近，）提高滤波效果。 一个常见的错误：当电容滤波网络不能有效地抑制干扰时，设计人员就会用更大的电容来试，同时，为了方便，电容的引线保留得很长。结果导致电容在更低频率就失效（谐振频率降低），结果对高频干扰的滤波效果更差。第05章电磁兼容滤波器设计正确与错误地线信号线地线信号线 从消除高频噪声的角度而

38、言，不希望有电容谐振。但是电容的谐振并不是都有害的。在要消除的噪声频率是确定的时候，可以通过调整电容的容量，使谐振点刚好在骚扰频率上。第05章电磁兼容滤波器设计电磁兼容设计中使用的电容要求 电磁兼容设计中使用的电容要求谐振频率尽量高，这样才能够在较宽的频率范围（10kHz 1GHz）内起到有效的滤波的作用。 提高谐振频率的方法有两个: 1)是尽量缩短引线的长度; 2)是选用电感较小的种类。 从这个角度考虑，陶瓷电容是最理想的一种电容。第05章电磁兼容滤波器设计（3)温度的影响 电容量 谐振频率(MHz) 1 F1.7 0.1 F4 0.01F12.6 3300 pF19.3 1100 pF33

39、 680 pF42.5 330 pF60引线长1.6mm的陶瓷电容器陶瓷电容 陶瓷电容的容量随着工作电压、电流频率、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，是为了在较小的体积内获得较大的容量。第05章电磁兼容滤波器设计温度对陶瓷电容容量的影响0.15-0.150-55125 0CCOG%CCOG(NPO):超稳定性X7R:稳定性Y5V(Z5U):通用性5-150-55125-10-5X7R%C0C-6020-3090-300Y5V30%C0C介质

40、常数低，容量小；介质常数大，容量大；介质常数超大，容量也超大；第05章电磁兼容滤波器设计(4)电压的影响COGX7RY5V200-20-40-60-800 20 40 60 80 100 %额定电压（Vdc）%C电压对陶瓷电容容量的影响 可见：在额定电压情况下，X7R电容值只有原始值70，Y5V电容值只有原始值30。设计时候要考虑这样的特性，留有充分余量。第05章电磁兼容滤波器设计综合考虑电压/温度对电容的影响0.15-0.150-55125 0CCOG%C-6020-3090-300Y5V30%C0C5-150-55125-10-5X7R%C0C零电压与额定电压零电压与额定电压零电压与额定电

41、压第05章电磁兼容滤波器设计克服电容非理想性的方法衰减电容并联 LC并联 电感并联小电容大电容并联电容频率大容量小容量大小电容并联：一些富有经验的工程师会提出一个简单易行的方案：将一个大电容和一个小电容并联起来使用，大电容抑制低频干扰、小电容抑制高频。甚至可以用大、中、小三种电容并联起来使用。这种方法从直觉上是可行的。但是有如下问题。第05章电磁兼容滤波器设计不足美中不足：将大容量电容和小容量电容并联起来的方法，会在某个频率上出现旁路效果很差的现象。 这是因为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

42、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。若将大、中、小三种容值的电容并联起来使用，会有更多的谐振点，亦即，滤波器在更多的频率上失效。返回第05章电磁兼容滤波器设计2）、电容器的种类及选用：（1）按介质分类：云母电容器（CY)纸介电容器(CZ)陶瓷电容器(CC)塑料介质电容器(CZ)电解电容器(CD) 频率范围是选择电容器的重要依据，电容器的最高有效频率由其自身的电容和其引线电感构成的谐振频率决定的，超过谐振频率，会呈现感性。第05章电磁兼容滤波器设计云母电容器（CY)一般用金属箔和云母片

43、交叠而成。新工艺也将铝或银粉喷涂在云母上，爹好，再在外用胶木、塑料或者瓷质等纯绝缘材料压紧、固封。特点：容量准确、漏电小，温度特性好，绝缘电阻高，频率特性也好。适用于中频、高频和耐压值高的电路。价格昂贵，容量小。第05章电磁兼容滤波器设计用两张长条形铝箔和两张长条形绝缘纸交叠好，卷成圆筒状，接出引线，经过浸腊等手续，封固而成。特点：容量范围大，几微法到几百微法，耐压适中，价格便宜。缺点：易损坏，寿命短，频率低，小于0.5MHz。纸介电容器(CZ)第05章电磁兼容滤波器设计由特殊陶瓷制成，分低介电常数型（型）、高介电常数型（ 型）、半导体型（ 型）3种。 型容量不大，温度变化和容量随线性变化，容

44、量偏差小，容量稳定，绝缘电阻高，耐热，寿命长，体积小。 型、 型与型特性差不多，但是它们介电系数高，可以做成容量大，体积小的产品。 型主要用于对温度稳定性高的电路，如晶振、A/D转换和V/F转换电路中的积分电路，还可以用于温度补偿电容。 型、 型体积小容量大，适合用于高频滤波电容。陶瓷电容器(CC)第05章电磁兼容滤波器设计采用特殊塑料材料制成，如聚苯乙烯电容器（CB)，涤纶电容器（CL）。优点是耐高压，介质损耗小，绝缘电阻高，电容量比较稳定，可用于高、中频电路。缺点是高热。塑料介质电容器(CZ)聚苯乙烯电容器高分子材料电容器第05章电磁兼容滤波器设计常见有铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电

45、容器：外壳是一个金属圆筒，筒中装有电解液（或电解糊），溶液中浸有一组铝片。当外加电压时，铝片接正极，圆筒接负极，在铝片上产生一层极薄的氧化铝薄膜，成为电容器的介质，由于正负极接近，可以做到较大的电容器。优点：容量大，都在几微法以上。缺点：耐压不高，一般500V以下；漏电大，易损坏，适用做电源滤波及低频旁路。钽电解电容器：是用钽粉通过烧结，使阳极具有多孔性，从而增大电容量，具有体积小，损耗小、性能稳定等优点。常用CA型钽电解电容器的容量范围为1330微法，工作电压6V63V。比较：铝电解电容器：频率特性温度特性差，漏电流大，损耗大，但是价格便宜。钽电解电容器频率特性、漏电特性、温度特性要好于铝电

46、解电容器。在低温环境下，应该选用钽电容器。电解电容器(CD)铝质电解电容器钽电解电容器第05章电磁兼容滤波器设计（2）、接入方式分类三端电容器第05章电磁兼容滤波器设计三端电容器 如果将电容器的输入和输出端分开，构成三端电容器，如上面图中等效电路，则这种引线电感可以得到应用。这时，引线电容与电感一起构成T型滤波器，极大改善了高频衰减特性。 当应用在源和负载的阻抗都很低的电路中，在上面两根引线上串两个磁珠，进一步增加引线电感，从而增加其滤波效果。三引线结构能够将小瓷片电容频率范围从50MHz拓展到200MHz以上，这样对于一直WF频段的骚扰很有用。为了获得最好的效果，在使用时应该将中间的导线（地

47、线）直接接到低电感地上，否则这根引线上的电感将破坏电容器的滤波效果。第05章电磁兼容滤波器设计三端电容器的原理地线电感起着不良作用三端电容普通电容 30 70 1GHz206040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第05章电磁兼容滤波器设计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 的金属件射频搭接第05章电磁兼容滤波器设计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说明：三端电容器虽然比普通电容器在滤波效果上有所改善，但是还有两个因素制约着其高频效果，一个是两根引线间的寄生电容耦合，另一个是接地线的电感。因此

48、，三端电容的滤波效果一般在300MHz以下。另外，三端电容只能安装在线路板上，不可避免地会发生高频泄漏问题。第05章电磁兼容滤波器设计穿心电容器穿心电容器第05章电磁兼容滤波器设计穿心电容器金属板隔离输入输出端一周接地电感很小第05章电磁兼容滤波器设计穿心电容： 穿心电容实质上是一种三端电容，一个电极与芯线相联，另一个电极与外壳相联。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，是因为以下两个原因：接地电感小：当穿心电容的外客与面板之间在360的范围内连接时，连接电感是很小的。因此，在高

49、频时，能够提供很好的旁路作用。输入输出没有耦合：用于安装穿心电容的金属板起到了隔离板的作用，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。第05章电磁兼容滤波器设计穿心电容的插入损耗插入损耗频率1GHz普通电容理想

50、电容穿心电容 穿心电容的阻抗接近理想电容，只是在某个频率会出现一个凹陷。第05章电磁兼容滤波器设计片装电容器 可以在三端电容两个相连的引线上套两个铁氧体磁珠，进一步提高T形滤波器的效果。这就是常说的片状滤波器。磁珠片状钽电解电容器可调片状电容器返回第05章电磁兼容滤波器设计3）、电容器使用注意事项注意耐压值保证实际电压比额定电压低2030。注意环境温度避免在高温环境下长期工作，要在设计中考虑冷却的办法注意电解电容器极性电解电容的极性不能接反，同时电解电容器不宜接在交流电路中。注意电容器产生的干扰噪声电容器在使用不当时也会产生噪声，主要是温升和漏电流，要避免。返回第05章电磁兼容滤波器设计4）、

51、电容器型号及容量表示方法电容器型号：四部分1、主称（用字母C表示）；2、材料（字母：Z纸介；Y云母；C瓷介；B聚苯乙烯；L涤纶；D铝（电解）；A钽（电解）。3、分类(数字，也有字母）：1，2非密封；3，4密封。4：序号（数字）（1）二位数字表示有效数字，一个字母表示数量级：如：1p2=1.2pF;220n=220nF=0.22uF;3u3=3.3uF;（2）3位有效数字表示最后用字母表示误差：数字中前2位表示有效值，后一位表示10n中的n,n=18,n=9表示101如：102表示101021000pF;103表示1010310000pF; 222表示2210322000pF;474表示4710

52、40.47uF; 159表示1510-11.5pF;返回第05章电磁兼容滤波器设计5.3.2 电感1、实际电感的特性 一段导线就构成了一个电感。要获得较大的电感量，需要将导线绕成线圈。线圈的芯材可以有两种，一种是非磁性的（空气），一种是磁性的。磁性磁芯又有闭合磁路的和开放磁路的。 电感的非理想性：实际的电感器除了电感参数以外，还有寄生电阻和电容。其中寄生电容的影响更大。理想电感的阻抗随着频率的升高成正比增加，这正是电感对高频干扰信号衰减较大的根本原因。但是，由于匝间寄生电容的存在，实际的电感器等效电路是一个LC并联网络。当角频率为1/LC时，会发生并联谐振，这时电感的阻抗最大，超过谐振点后，电

53、感器的阻抗特性呈现电容阻抗特性 随频率增加而降低。电感的电感量越大，往往寄生电容也越大，电感的谐振频率 越低。ZL理想电感实际电感f1/2 LC说明见备注：第05章电磁兼容滤波器设计实际电感器的特性 电感量 （H） 谐振频率 (MHZ)3.4 458.8 28 68 5.7125 2.6500 1.2 绕在铁粉芯上的电感ZL理想电感实际电感f1/2 LCLC 电感线圈电感量估算：绕制线圈时：首先在现成的铁心上绕制9匝，用电感表测量电感为L0，当绕制电感量为L时，其匝数N为：第05章电磁兼容滤波器设计2、克服电感寄生电容的方法每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容CTC磁芯为导体时，CTC为

54、主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。电感寄生电容的来源 电感线圈的寄生电容来自两个方面，一个是线圈每匝之间的电容，另一个是线圈导线与磁芯之间的电容。第05章电磁兼容滤波器设计常见方法尽量单层绕制：尽量单层绕制，使输入输出远离多层绕制时的处理办法：多层绕制无法避免时，采用的方法：朝一个方向绕，边绕边重叠，不要绕完一层再回绕！分段绕制：在一个铁心上分段绕制，这样每段电容小，而且寄生电容呈串联，总电容量也小。多电感串连：将大电感分解成小电感串联，可以使电感带宽扩展。第05章电磁兼容滤波器设计减小电感寄生电容的方法然后：起始端与终止端远离（夹角大于40度）尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时

55、， 采用“渐进”方式绕，不要来回绕分组绕制 （要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）如果磁芯是导体，首先：用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离第05章电磁兼容滤波器设计3、共模扼流线圈共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵消，因此磁芯不会饱和。有意增加漏磁，利用差模电感结构：制作方法：电流的去线和回线要满足流过它们的电流在磁芯中产生的磁力线抵消的条件。对于没有很高绝缘要求的信号线，可以采用双线并绕的方法构成共模扼流圈，但对于交流电源线，考虑到两根导线之间必须承受较高的电压，必须分开绕制。第05章电磁兼容滤波器设计5.3.3铁氧体EMI抑制元件 吸收式滤波器由有耗元件组成，在阻带内，

56、有耗元件将电磁骚扰的能量吸收后转化为热损耗，而起到滤波作用。 铁氧体材料就是一个广泛应用的有耗器件，可以用来构成低通滤波器。第05章电磁兼容滤波器设计1、铁氧体特性Z = jL + R RZLR(f)1MHz 10MHz 100MHz 1000MHz第05章电磁兼容滤波器设计铁氧体磁环使用方面的一些问题125450012506001匝1 10 100 1000匝300个30个0.1 1 10 100 1000无偏置有偏置第05章电磁兼容滤波器设计磁芯对电感寄生电容的影响铁粉芯 C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 铁氧体（锰锌） C = 49pf C = 51pf 4%第05章电

57、磁兼容滤波器设计使用方面的一些问题低电平信号应用电源变换与滤波电磁骚扰抑制抑制应用在PCB上应用电源线上应用信号线上应用元件选择原则：尽量长、厚、内径小元件安装尽可能安装在靠近屏蔽壳的进出口处。应用范围第05章电磁兼容滤波器设计低通滤波器对脉冲干扰的抑制+滤波器特性AfILffCO输入脉冲频谱2VIPdfCOAf输出脉冲频谱2VIPd相当于脉冲的上升时间和脉宽变大，而幅度没有减小。第05章电磁兼容滤波器设计抑制脉冲干扰的方法瞬态抑制器件与低通滤波器一起使用2VIPd脉冲干扰频谱经过瞬态抑制频谱低通滤波后频谱第05章电磁兼容滤波器设计解决谐波问题整流后电压整流后电流直流输出电压提升电压交流输入

58、直流输出电压提升器控制电路整流后电压整流后电流输出电压第05章电磁兼容滤波器设计5.3.4滤波连接器板上滤波器第05章电磁兼容滤波器设计滤波连接器的优点：（1）滤波连接器能够将电缆中干扰电流消除。（2）滤波连接器抑制电缆辐射效果比屏蔽电缆更稳定。（3）使用滤波连接器可以有效降低成本。第05章电磁兼容滤波器设计使用滤波连接器注意事项（1）滤波器的接地。（2）所有针都要滤波。（3）屏蔽机箱。第05章电磁兼容滤波器设计试验结果略第05章电磁兼容滤波器设计滤波连接器的选用（1）经济型与普通型D型滤波连接器适用与要求较低的产品，一般民用电子产品。（2）高性能与高密度D型滤波连接器适用于计算机、工业过程设

59、备，图形工作站、医学电子设备、蜂窝式移动通讯系统等（3）超高性能D型滤波连接器适用于高速脉冲信号或者对电磁兼容更高要求的场合，如军用标准或TEMPEST标准的设备（4）军用滤波连接器 滤波连接器要良好的接地！采用连接器与屏蔽机箱间使用射频密封衬垫。第05章电磁兼容滤波器设计5.4、滤波器的选用和安装 电磁干扰滤波器的设计和选择，主要的依据是干扰特性和系统要求。 因此，在设计和选择滤波器时，应该调查干扰的频率的范围、估计干扰的量级、了解滤波器的使用环境（使用电压、负载电流、环境温度、湿度、振动和冲击强度等），另外还要对滤波器在设备上的安装位置和允许的尺寸有所考虑。 根据以上的条件和要求，来选择或

60、设计合适的滤波器。第05章电磁兼容滤波器设计5.4.1、滤波器的选用举例： 1、屏蔽室用的电源滤波器的选择，应使其抑制频带与屏蔽室的防护频带相同，插入损耗应与屏蔽室的屏蔽效能有相同的数量级。 2、用于抑制工业干扰或消除电子设备向电网的干扰发射的滤波器，则应在工业干扰的频谱范围（几十MHz）内保持一定的插入损耗值。 常用的各种滤波器，在市场上都有出售，在使用时，要注意各个方面的要求去仔细选择。选用的角度滤波器相关参数电源线滤波器的选用信号线滤波器的选用第05章电磁兼容滤波器设计滤波器相关参数 滤波器参数是在50的源和负载阻抗的测试环境下获得的。因此滤波器的性能在实际情况下，不一定可以达到最佳效果