第五章-电磁兼容-滤波

1电磁滤波技术

物理电子学路书祥研究生学位课－电磁兼容上节回顾传导耦合电磁骚扰源传播途径电磁兼容设计电磁干扰分析电磁干扰测试电磁干扰防护基于路径的方法基于场的计算方法网格法特征线法频域法有限元边界元法差分法模拟电荷法接地电磁屏蔽滤波保护设备电器安全电磁辐射人为：核电磁脉冲；电源质量；网络结构参数变化；静电等自然：雷电；太阳风暴；辐射等测试方法测试系统测试标准5.1滤波器概述5.2滤波器分类、选用与设计5.3滤波器安装5.1滤波器概述4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

—作用55.1滤波器概述电磁干扰滤波器，即EMI滤波器，是抑制传导干扰最有效的手段，它包括信号线滤波器和电源线滤波器：信号线滤波器允许有用信号无衰减通过，同时大幅衰减杂波干扰信号。

电源线滤波器又称电网滤波器，它以较小的衰减把直流、50Hz、400Hz电源功率传输到设备上，而大幅衰减经电源

传入的EMI信号，保护设备免受伤害。同时其又能抑制设备本身产生的EMI信号，防止其进入电网

污染电磁环境，危害其他设备。6显然，当时，IL大于零，IL越大，滤波效果越好5.1滤波器概述—评定指标EMI滤波器不同于一般的低通滤波器，二者所关心的指标、使用环境等是截然不同的：普通滤波器关心幅频特性、相位特性、群延时和波形畸变等；EMI滤波器则更关心插入损耗、能量衰减和截止频率。从使用环境来看，一般低通滤波器工作电平低、电流小、源端或负载特性单一；而EMI滤波器工作电压高、电流大并且要能够承受瞬时大电流的冲击，其源端和负载特性随工作环境不同变化较大。这些不同之处使得EMI滤波器的设计不能完全参照一般滤波器设计技术来实现。7频率范围宽，过渡带窄；阻抗不确定，变化范围宽5.1滤波器概述—特点

85.2滤波器分类9

干扰滤波器多为低通滤波器

因为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

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。

电源线上的杂波有较高频率较高频率较高时，杂散电容和电感之间的相互串扰严重105.2滤波器分类工作原理是把不需要的频率成分反射回骚扰源，而让需要的频率成分的能量通过滤波器施加于负载。反射式滤波器通常由电抗元件(如电感器、电容器)组合构成无源网络。在通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，对骚扰电流建立一个高的串联阻抗和低的并联阻抗通路。115.2滤波器设计反射式滤波器

低通滤波器类型12

C

TL反

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。

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负载阻抗。5.2滤波器设计插入损耗的估算13fco

=1/(2RpC)~Zs、ZL并联CIL=20lg(CRp)ILIL=20lg(L/Rs)fco

=Rs/(2L）Zs、ZL串联~ZsLZs

假设电感、电容是理想器件，这是不符合实际情况的

ZLZL5.2滤波器设计实际电容器的特性14ZC理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器

电容量

谐振频率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.6

3300pF19.31100pF33680pF42.5330pF60实际电容1/2LCCL电感分量是由引线和电容结构所决定的5.2滤波器设计克服电容非理想性的方法15

大容量

频率衰减小电容大电容并联电容小容量

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。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，滤波器在更多的频率上失效。

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。5.2滤波器设计三端电容器16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地线电感起着不良作用三端电容普通电容30702060401GHz

三端电容（比较流行的方法）：一个电极上的两根引线串联在需要滤波的导线中。导线电感与电容构成了一个T形滤波器，消除了一个电极上的串联电感。三端电容比普通电容具有更高的谐振频率和滤波效果。并可在三端电容两个相连的引线上套两个铁氧体磁主，进一步提高T形滤波器的效果。插入损耗5.2滤波器设计三端电容器的不足17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

中间的接地线越短越好，避免两侧的引线的平行部分过长，否则高频滤波效果会打很大折扣。

制约着其高频效果的两个因素：寄生电容耦合，接地线的电感。三端电容的滤波效果一般在300MHz以下。5.2滤波器设计穿心电容更胜一筹18金属板隔离输入输出端

一周接地，电感很小

接地电感小：当穿心电容的外壳与面板之间在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，避免了高频时的电容耦合现象。

5.2滤波器设计穿心电容的插入损耗19穿心电容插入损耗频率1GHz普通电容理想电容

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。5.2滤波器设计温度对陶瓷电容容量的影响20125-309030%C0.15-0.150-551255-150-55-10-5COGX7R-6020-300Y5V%C%C

陶瓷电容滤波器是钛酸铝等陶瓷材料制成，其工作原理是利用陶瓷材料的压电效应将电信号转换为机接信号，再将机接信号转换为机接电信号。温度的稳定性差。按美国电工协会（EIA）标准，不同介质材料的MLCC按温度稳定性分成三类：超稳定级（工类）的介质材料为COG或NPO；稳定级（II类）的介质材料为X7R；能用级（Ⅲ）的介质材料Y5V5.2滤波器设计——陶瓷电容电压对陶瓷电容容量的影响21COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100

%额定电压（Vdc）%C5.2滤波器设计实际电感器的特性22

电感量（

H）

谐振频率

(MHZ)3.4458.828685.7

1252.65001.2f

绕在铁粉芯上的电感ZL理想电感实际电感1/2LCLC5.2滤波器设计电感寄生电容的来源23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为主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。5.2滤波器设计磁芯对电感寄生电容的影响24铁粉芯(非导电）C=4.28pfC=3.48pf19%铁氧体（锰锌）C=51pfC=49pf4%

铁粉芯作磁芯时，由于它不导电，不仅寄生电容很小，而且当将绕线方式改为松散绕制时，电容下降了将近20%。用锰锌铁氧体作磁芯时，由于这种材料导电率较高，不仅电容量较大，而且与绕线方式关系不大。5.2滤波器设计

减小电感寄生电容的方法25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，采用“渐进”方式绕，不要来回绕。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减小分布电容的绕制工艺然后：5.2滤波器设计

电感磁芯的选用26

锰锌：

r=500~10000，R=0.1~100m铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯铁氧体：最常用镍锌：

r=10~100，R=1k~1Mm超微晶：

r>10000，做大电感量共模扼流圈的磁心

空心线圈的电感量很小，使用导磁率较高的材料作磁芯可大大地增加电感量。

5.2滤波器设计

电感量与饱和电流的计算27SD1D2饱和电流：

Imax=BmaxS(D1-D2)/2L电感量：

L（nH）=0.2N2

rS(mm)ln(D1/D2)电感量厂家手册给出厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则L（nH）=AL

N2当电感磁芯发生饱和时，电感量变小，失去对干扰的抑制作用。若额定电流大于饱和电流（Imax），就会发生饱和，需要调整磁芯的尺寸，使额定电流小于Imax

5.2滤波器设计吸收式滤波器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热损耗，从而起到滤波作用。铁氧体吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种低通滤波器。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，较高的磁导率(约为100一1500)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285.2滤波器设计铁氧体的相对导磁常数29磁性体材料诱电体材料High电

/High磁

材料e

100100101101102102103103104104105105

相对导磁常数:ur相对介电常数5.2滤波器设计铁氧体滤波机理30Z(f）Z(f)

RZL

在低频，磁芯的磁导率较高，磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感。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。

5.2滤波器设计315.2滤波器设计

电源线滤波器32电源线的传导骚扰电压5.2滤波器设计335.2滤波器设计

共模干扰和差模干扰34

相－中/中－地＝共模电流，相－中＝差模电路

可看作独立干扰来研究5.2滤波器设计35源端负载端5.2滤波器设计365.2滤波器设计375.2滤波器设计385.2滤波器设计395.2滤波器设计405.2滤波器设计415.3滤波器安装425.3滤波器安装信号滤波器的安装位置43板上滤波器无屏蔽的场合滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端。有屏蔽的场合：在屏蔽界面上5.3滤波器安装板上滤波器的注意事项44滤波器要并排安装线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接为滤波设置干净地在接口处设置档板滤波器靠近接口5.3滤波器安装面板上滤波的简易（临时）方法45容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短5.3滤波器安装电缆滤波的方法46连接器屏蔽盒馈通滤波器5.3滤波器安装面板安装滤波器注意事项47滤波器与面板之间必须使用电磁密封衬垫！5.3滤波器安装

使用

形滤波器的注意事项48滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径5.3滤波器安装

开