第4章电磁干扰抑制的滤波技术090216要点课件

1、第4章 抑制电磁干扰的滤波技术4.1 滤波器的特性与分类4.2 低通滤波器4.4 高通滤波器4.5 有源滤波器4.3 电容、电感的高频特性4.7 反射式和吸收式混合使用4.8 电源滤波器4.6 吸收型滤波器4.9 滤波器的选用与安装第1页，共79页。滤波器作用：抑制传导干扰工作原理 在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量容易地通过。在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。 滤波器作用：抑制传导干扰 信号滤波器 电源滤波器第2页，共79页。满足电源线干扰发射和抗扰度要求第3页，共79页。满足抗扰度及设备辐射发射要求第4页，共79页。( 1 ) 插入损耗（IL）4.1 滤波器的特性与分类衡量

2、滤波器性能的主要指标。定义：1. 特性： U1 未接入滤波器，信号源在负载上建立的电压； U2 接入滤波器，信号源在负载上建立的电压。IL与信号源频率、源阻抗、负载阻抗等因素有关。 插入损耗，频率特性，阻抗特性，额定电流；外形尺寸，工作环境，可靠性等。第5页，共79页。( 2 ) 频率特性插入损耗随频率的变化频率特性通带：信号无衰减通过滤波器的频率范围阻带：受到很大衰减的频率范围按频率划分：低通、高通、带通、带阻四种类型。频率特性参数：中心频率、截止频率、最低使用频率、最高 使用频率等。衰减f低通衰减f高通衰减f带通衰减带阻f第6页，共79页。2. 分类反射式吸收式按原理：信号选择滤波器EMI

3、滤波器按用途：有源无源（LC）按工作条件：( 3 ) 阻抗特性： 滤波器的输入阻抗、输出阻抗( 4 ) 额定电压： 输入滤波器的最高允许电压值( 5 ) 额定电流:不降低滤波器插入损耗效能的最大使用电流按频率第7页，共79页。3. EMI滤波器的特点 工作在阻抗失配的条件下；（干扰源的频率阻抗特性变化范围很宽） 可能出现饱和效应；（干扰源的电平变化幅度大） 高频特性非常复杂；（干扰源的频带范围很宽） 应具有较高的可靠性；（干扰源工作频率范围宽，具有较大的脉冲电流、电压）第8页，共79页。4.2 低通滤波器 电磁干扰滤波器主要是低通滤波器，用在干扰信号频率比上作信号频率高的场合： 数字脉冲电路是

4、一种主要的电磁干扰源，脉冲信号有丰富的 高次谐波，是很强的干扰源。 高频电磁波更容易被接收，对设备造成电磁干扰的电磁场的 频率较高，在电路中产生的噪声电压、电流也是高频的。 当导线上有传导电流时，电流的频率越高，越容易产生辐射。 导线或电缆之间由于存在杂散电容和互感，会产生相互的串 扰，频率越高串扰越严重。第9页，共79页。1. 常见形式并联电容型；串联电感型；型；反型；T型 ；型等RCURURRLUCRLRCURL等RCRL等URL等CRLURC第10页，共79页。无源滤波器的端口网络特性其中端口网络：ZL滤波网络UgZgU1I1I2U22. 插入损耗终端开路电压反射系数输入阻抗：终端短路耦

5、合阻抗终端开路耦合导纳终端短路电流反射系数第11页，共79页。ZL滤波网络UgZgU1I1I2U2无滤波器网络时故插入损耗无源滤波器的插入损耗第12页，共79页。 C型：RUgRU1I1I2U2C第13页，共79页。 L型：RUgRU1I1I2U2L等第14页，共79页。 型：CRUgRU1I1I2U2L等第15页，共79页。 反型：IL 同型。RUgRU1I1I2U2CL等第16页，共79页。插入损耗：型：L型：T型：C型：型：第17页，共79页。3. 低通滤波器的设计3dB截止点：RUgRCR =1C =2F3dB截止点通带阻带010203040IL(dB)0.1 1 10 100( 1

6、) 低通原型滤波器其中截止角频率 ：对应于3dB截 止点的角频率原型滤波器：第18页，共79页。RUgRL等R =1L =2HL型原型滤波器型：第19页，共79页。 带宽换算换算后换算前（2）由原型滤波器设计实际滤波器 带宽换算阻抗换算宽带与阻抗综合换算1Ug1CaUg等11LaC 型：换算前L型：换算后令第20页，共79页。 阻抗换算令 L型：RaUgCaRaUg等LaRaRaC型：第21页，共79页。 宽带与阻抗综合换算RaUgCaRaUg等LaRaRaL型：C型：第22页，共79页。例：设计阻抗为50，截止频率f c =1MHz 的低通滤波器。L型：C型：50UgC=6400pF50Ug

7、等L=16H5050第23页，共79页。4. 多级滤波器过渡带与滤波器阶数（L、C器件数）的关系： 对于n阶滤波器，过渡带的斜率按20ndB/10倍频或6ndB/倍频增加 。 增加滤波器的阶数仅增加了过渡带的斜率，而不改变滤波器的截止频率。1阶2阶3阶4阶第24页，共79页。第25页，共79页。例： 二阶原型滤波器：UC1L1CU1L1第26页，共79页。三阶原型滤波器：型:T型：2F11H等U11H等1F12HU11F第27页，共79页。例：设天线的工作频率为230MHz，输入阻抗为72，干扰频率 为6672MHz，要求带外衰减30dB，设计低通滤波器。解：最低截止频率30MHz，取32MH

8、z。最低干扰频率fi 66MHz, 则 要求：6ndB/倍频 30dB，则n5，取n5 。换算： 5级原型滤波器的参数为 第28页，共79页。4.3 电容、电感的高频特性谐振点：1. 电容的频率特性引线长1.6mm的陶瓷电容器C低频模型RCL高频模型电容量谐振频率 (MHz) 1 F1.7 0.01 F12.6 3300 pF19.3 1100 pF33 330 pF60阻抗频率特性理想电容阻抗频率特性曲线实际电容第29页，共79页。第30页，共79页。第31页，共79页。巧用谐振点：通过调整电容量和引线长度，使谐振点恰好落 在干扰频率上（附近），提高滤波效果。对滤波特性的影响 提高谐振频率的

9、方法：尽量缩短引线长度； 当角频率 时，会发生串联谐振，这时电容的阻抗最小，滤波效果最好，超过谐振点后，电容器的阻抗呈现电感阻抗特性 随频率的升高而增加，滤波效果开始变差。 选用电感较小的种类。一个常见的错误：加大电容量来提高干扰抑制效果。第32页，共79页。克服电容非理想性的方法带宽干扰信号， 以上。 大小电容并联：大电容谐振点低，小电容谐振点高。大电容抑 制低频干扰，小电容抑制高频干扰。RUgR大电容小电容电容并联LC并联电感并联问题：大小电容的谐振频率点间，大电容呈电感性，小电容呈电 容性。构成LC并联网络，在某个频率点上出现并联谐振。并联电容第33页，共79页。不同值电容的谐振第34页

10、，共79页。 三端电容三端电容：构成 一个T形滤波器。问题：引线间电容耦合，另一引线的电感（300MHz 以下）RUgR三端电容普通电容第35页，共79页。第36页，共79页。 穿心电容（馈通电容）结构：第37页，共79页。穿心电容特点：接地电感小； 输入输出无耦合。以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波第38页，共79页。穿心电容的插入损耗第39页，共79页。谐振点：2. 电感的频率特性绕在铁粉芯上的电感电感量(H )谐振频率 (MHz)3.4458.828685.71252.65001.2阻抗频率特性低频模型LRCL高频模型理想电感阻抗频率特性曲线实际电感第40页，共79页。电感寄

11、生电容的来源磁芯为导体时，CTC为主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。第41页，共79页。关键减小寄生电容单层绕制多层绕制方法：边绕边重叠分段绕制多电感串联克服电感线圈非理想性的方法第42页，共79页。4.4 高通滤波器(1) 网络结构 将低通滤波器网络中所有电容器与电感器互换RUgCRUg等LRRUgCRR低通高通RUgLR设计方法：对偶变换用于抑制信号通路上的交流电流分量或抑制某个特定的低频外来信号。第43页，共79页。( 3 ) 将高通原型滤波器电路中各L、C 和 R 值按低通滤波器相同 的方式进行参数变换:( 2 ) 将低通原型滤波器电路中各 L 值和 C 值取其倒数作为高通

12、原型滤波器对应的C 值和 L 值Ug11LhUgCh11第44页，共79页。例：设计一个高通滤波器，指标要求：解：即12.3ndB /倍频 70dB，则n6 低通原型：高通原型元件值：第45页，共79页。换算出高通的最终元件值：第46页，共79页。Ug600600Lh1Ch2Lh3Ch4Lh5Ch6Ug600600Ch2Lh3Ch4Lh5Ch6Lh1高通滤波电路第47页，共79页。带通滤波器UgR RLp1Cs1Cp1Lp2Cs2Cp2Ls1Ls2UgR RLp1Cp1Cp2Lp2Cs1Ls1Cs2Ls2带阻滤波器第48页，共79页。4.5 有源滤波器方法：采用电路技术模拟电感和电容特性。特点

13、：功率大，体积小，重量轻 三种类型：有源电感滤波器：用有源器件模拟电感元件的频率特性， 形成干扰的高阻抗电路。L电压放大器第49页，共79页。 有源电容滤波器：用有源器件模拟电容元件的频率特性， 形成干扰信号形成低阻抗电路。C第50页，共79页。 对消滤波器：产生干扰电流振幅相等、相位相反的反馈电 流，抵制干扰。用于抑制电源线路干扰的对消滤波器第51页，共79页。4.6 吸收型滤波器吸收型滤波器：由有耗元件构成，将信号中不需要的频率分量的 能量消耗在滤波器中。1. 铁氧体的阻抗特性 低频：呈现电感性阻抗。磁导率高，损耗小。 高频：阻抗呈现电阻性。随频率增加，磁导率下降，电感减 小，但损耗增加。

14、高频信号通过铁氧体时，电磁能量 以热的形式耗散。第52页，共79页。 电流对铁氧体的影响 当穿过铁氧体中的导线中流过电流时，令在铁氧体磁心中产生磁场。当磁场强度超过一定量值时，磁感发生饱和，磁导率急剧下降，电感量减小。低频时，影响较大；高频时影响不大。第53页，共79页。铁氧体的阻抗特性第54页，共79页。2. 电缆滤波器 特点：体积小， 具有理想的高频衰减特性。芯线铁氧体绝缘层绝缘外套屏蔽层将铁氧体材料填充在电缆中制成电缆滤波器。第55页，共79页。3 . 滤波连接器 将铁氧体直接组装到电缆连接器内。外套第56页，共79页。4. 铁氧体磁环第57页，共79页。4.7 反射式和吸收式混合使用

15、将反射式滤波器与吸收式滤波器串接起来，既有陡峭的频率特性，又有很高的阻带衰减，可以更好地抑制高频干扰。 测量极限fIL030-60低通滤波器的损耗特性 测量极限fIL030-60接入吸收线后的低通滤波器的损耗特性第58页，共79页。4.8 电源滤波器 作用：限制进入设备的传导干扰电平，又限制设备向电网发射 传导干扰。 电源线中的干扰：共模干扰和差模干扰差模干扰电子设备相线地线中线共模干扰第59页，共79页。电子设备相线地线中线电子设备相线地线中线共模干扰滤波差模干扰滤波第60页，共79页。以下第61页，共79页。改善滤波器的高频特性第62页，共79页。第63页，共79页。第64页，共79页。第

16、65页，共79页。第66页，共79页。第67页，共79页。第68页，共79页。4.9 滤波器的选用与安装1. 选用干扰频率、干扰量级、环境条件 滤波器的选择额定电流：设备额定电流的1.2倍额定电压：略大于设备额定电压插入损耗: 厂家所给出的值，一般是在50/50标准测 量法下测得的，应在设备实际需要的插入损 耗上再加上20dB的余量。第69页，共79页。 阻抗匹配： 低高CL等低低L高高C高低CL第70页，共79页。注意插入损耗的增益问题第71页，共79页。在选用信号线滤波器时，应仔细考虑其截止频率。截止频率的选择必须保证滤波器的带通覆盖功能性信号的带宽，保证设备正常工作，同时最大限度地滤除不必要的高频干扰。对于模拟信号，只要截止频率大于信号的带宽即可；对于数字脉冲信号，其截止频率可定为1/tr，tr是脉冲的上升/下降时间；对于周期性脉冲信号，可以取脉冲重复频率的15倍为截止频率。第72页，共79页。第73页，共79页。滤波器的选择滤波器的滤波性能与设备的阻抗特性密切相关滤波器的滤波性能可能随设备运行状态的变化而 改变滤波器是否满足要求只能由实际的测试来确定不存在通用