《工程电磁兼容》课件第8章

第八章滤波技术及其应用

8.1滤波器的工作原理和类型

8.2滤波器的特性

8.3反射式滤波器

8.4吸收式滤波器

8.5电源线滤波器

8.6滤波器的安装

滤波技术(FilteringTechnique)是抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要辅助措施。滤波的实质是将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分量两个频段，剔除干扰频率分量部分。滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰。为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器。本章从滤波器件的应用角度出发，着重介绍滤波器件的特性、类型、应用场合、选用、安装等内容。

8.1.1滤波器的工作原理

在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量可以很容易地通过，在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。因此，凡与需要传输的信号频率不同的骚扰，都可以采用滤波器加以抑制。滤波器将有用信号的频谱和骚扰的频谱隔离得越完善，抑制电磁骚扰的效果越好。

8.1滤波器的类型

图8-1滤波器按用途分类8.1.2滤波器的类型

滤波器的种类很多。根据滤波原理可分为反射式滤波器(ReflectiveFilter)和吸收式滤波器(DissipativeFilter)。根据结构形式可分为Butterworth、Tchebycheff、Butterworth-Thompson、Elliptic等类型。根据工作条件可分为有源滤波器(ActiveFilter)和无源滤波器(PassiveFilter)。根据频率特性可分为低通、高通、带通、带阻滤波器(Low-passFilter、High-passFilter、Band-passfilter、Band-rejectFilter)。根据使用场合可分为电源滤波器、信号滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、防电磁信息泄露专用滤波器、印刷电路板专用微型滤波器等。根据用途可分为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器两大类，如图8-1所示。信号选择滤波器是指能有效去除不需要的信号分量，同时对被选择信号的幅度、相位影响最小的滤波器；电磁干扰滤波器(EMIFilter)是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。

8.1.3EMI滤波器的特点

电磁干扰滤波器与常规滤波器相比，具有以下特点：

①电磁干扰滤波器往往在阻抗失配的条件下工作。电磁骚扰源的频率阻抗特性变化范围很宽，其阻抗通常是整个频段的函数。由于经济和技术上的原因，不可能设计出全频段阻抗匹配的电磁干扰滤波器。

②骚扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干扰滤波器出现饱和效应。

③电磁骚扰源的频带范围很宽，其高频特性非常复杂，难以用集总参数电路来模拟滤波电路的高频特性。

④工作频带内必须具有较高的可靠性。由于电磁骚扰源工作频率范围宽，具有大电流脉冲，所以必须选择具有良好性能的滤波元件。滤波器的布局、滤波器与设备的连接不能引入附加的电磁干扰。

描述滤波器特性的技术指标包括插入损耗、频率特性、阻抗特性、额定电压、额定电流、外型尺寸、工作环境、可靠性、体积和重量等。下面介绍其中几个主要特性。

8.2滤波器的特性

1.插入损耗(InsertionLoss)

插入损耗是衡量滤波器的主要性能指标，滤波器滤波性能的好坏主要是由插入损耗决定的。因此，在选购滤波器时，应根据干扰信号的频率特性和幅度特性进行选择。

滤波器的插入损耗由下式表示：

式中：IL表示插入损耗；U1表示信号源(或者干扰源)与负载阻抗(或者干扰对象)之间没有接入滤波器时，信号源在负载阻抗上产生的电压；U2表示信号源与负载阻抗间接入滤波器时，信号源通过滤波器在同一负载阻抗上产生的电压。

滤波器的插入损耗值与信号源频率、源阻抗、负载阻抗、工作电流、工作环境温度、自身的体积和重量等因素有关。

2.频率特性

滤波器的插入损耗随频率的变化即频率特性。信号无衰减地通过滤波器的频率范围称为通带，而受到很大衰减的频率范围称为阻带。根据频率特性，可把滤波器大体上分为四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。表8-1给出了这四种滤波器的频率特性曲线。滤波器的频率特性又可用中心频率、截止频率、最低使用频率和最高使用频率等参数反映。

表8-1滤波器的频率特性

必须注意，滤波器产品说明书给出的插入损耗曲线，都是按照有关标准的规定，在源阻抗等于负载阻抗且都等于50Ω时测得的。实际应用中，EMI滤波器输入端和输出端的阻抗不一定等于50Ω，所以，这时EMI滤波器对骚扰信号的实际衰减与产品说明书给出的插入损耗衰减不一定相同，有可能相差甚远。

3.阻抗特性

滤波器的输入阻抗、输出阻抗直接影响滤波器的插入损耗特性。在许多使用场合，出现滤波器的实际滤波特性与生产厂家给出的技术指标不符，这主要是由滤波器的阻抗特性决定的。因此，在设计、选用、测试滤波器时，阻抗特性是一个重要技术指标。使用EMI滤波器时，遵循输入、输出端最大限度失配的原则，以求获得最佳抑制效果。相反地，信号选择滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。

4.额定电流

额定电流是滤波器工作时，不降低滤波器插入损耗性能的最大使用电流。一般情况下，额定电流越大，滤波器的体积、重量和成本越大；使用温度越高，工作频率越高，其允许的工作电流越小。

5.额定电压

额定电压是指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器的电压过高，会使滤波器内部的元件损坏。

6.电磁兼容性

EMI滤波器一般是用于消除不希望有的电磁干扰，其本身不会存在干扰问题，但其抗干扰性能的高低，直接影响设备的整体抗干扰性能。抗干扰性能突出体现在滤波器对电快速脉冲群、浪涌、传导干扰的承受能力和抑制能力。

7.安全性能

滤波器的安全性能，如耐压、漏电流、绝缘、温升等性能，应满足相应的国家标准要求。

8.可靠性

可靠性也是选择滤波器的重要指标。一般说来，滤波器的可靠性不会影响其电路性能，但影响其电磁兼容性。因此，只有在电磁兼容性测试或者实际使用过程中，才会发现问题。

9.体积与重量

滤波器的体积与重量取决于滤波器的插入损耗、额定电流等指标。一般情况下，额定电流越大，其体积与重量越大；插入损耗越高，要求滤波器的级数越多，同时使滤波器的体积与重量增加。

反射式滤波器的工作原理是把不需要的频率成分的能量反射回信号源或者骚扰源，而让需要的频率成分的能量通过滤波器施加于负载，以达到选择和抑制信号的目的。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。理想情况下，电感器和电容器是无耗元件。反射式滤波器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，也就是说，对骚扰电流建立一个高的串联阻抗和低的并联阻抗通路。

8.3反射式滤波器

1.低通滤波器

低通滤波器是电磁兼容工程中使用最多的一种滤波器，主要用来抑制高频传导电磁骚扰。例如，电源滤波器就是低通滤波器，当直流或者工频电流通过电源滤波器时，没有明显的能量衰减，而当其频率高于工频的信号通过电源滤波器时，则存在显著的能量衰减。

低通滤波器的种类很多，按其电路结构，常见形式有并联电容滤波器(ShuntCapacitorFilter)、串联电感滤波器(SeriesInductorFilter)、L型滤波器(L-SectionFilter)、Π型滤波器(Π-SectionFilter)、T型滤波器(T-SectionFilter)等，这些低通滤波器的电路结构和插入损耗如下所述。

(1)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，如图8-2所示。它用来旁路高频能量，流通期望的低频能量或者信号电流。其插入损耗为

IL＝10lg[1+(pfRC)2]dB (8-1)

式中：f表示频率；R表示激励源电阻或者负载电阻；C表示滤波器电容。实际上，电容器包含串联电阻和电感。这些非理想影响是电容器极板电感、引线电感、极板电阻、引线与极板的接触电阻产生的结果。不同类型的电容器的电阻性、电感性影响是不同的。由于这些电感性影响，电容器呈现谐振。低于谐振频率时，滤波器呈现容抗；高于谐振频率时，滤波器呈现感抗。作为滤波器元件，不同类型的电容器特性描述如下。MetalizedPaperCapacitor具有小的物理尺寸，射频旁路能力差(因为引线与电容器之间有高接触电阻)。在小于20MHz的频率范围内，可以使用StandardWoundAluminumFoilCapacitor，超出此频率范围，电容和引线长度限制其使用。云母和陶瓷电容器(MicaandCeramicCapacitor)的容量与体积的比值很高，串联电阻小，电感值小，具有相当稳定的频率、容量特性，适用于电容量小、工作频率高(高于200MHz)的场合。穿芯电容器(Feed-throughCapacitor)高频性能好，具有大约1GHz以上的谐振频率，电感值小，工作电流和电压可以很高，有三个端子。电解电容器(ElectrolyticCapacitor)用于直流滤波。电解电容器是单极器件，其高损耗因数或者串联电阻使其不能作为射频滤波元件。直流电源输出端的射频旁路需要使用电解电容器。钽电解电容器的容量与体积的比值大，串联电阻、电感小，温度稳定性好，适用于工作频率小于25kHz的场合。

图8-2并联电容滤波器

图8-3串联电感滤波器

(2)串联电感滤波器是低通滤波器的另一简单形式，在其电路构成上，电感器与携带干扰的导线串联连接，如图8-3所示。其插入损耗为

(8-2)

式中：L表示滤波器的电感，单位为H；R表示激励源电阻或者负载电阻，单位为Ω；f表示频率，单位为Hz。

实际上，电感器具有串联电阻和绕线间的电容。绕线电容产生自谐振。低于此谐振频率，电感器提供感抗；高于谐振频率，电感器作为容抗出现。因此，在高频段，普通电感器不是一个好的滤波器。

(3)L型滤波器(L-SectionFilter)的电路结构如图8-4所示。如果源阻抗与负载阻抗相等，L型滤波器的插入损耗与电容器插入线路的方向无关。当源阻抗不等于负载阻抗时，通常将获得最大插入损耗。电容器并联，阻抗更高。

对于L型滤波器,源阻抗与负载阻抗相等时的插入损耗为

(8-3)

图8-4L型滤波器(4)Π型滤波器(Π-SectionFilter)的电路结构如图8-5所示，是实际中使用最普遍的形式。其优势包括容易制造、宽带高插入损耗和适中的空间需求。

Π型滤波器的插入损耗为

(8-4)

Π型滤波器抑制瞬态干扰不是十分有效。采用金属壳体屏蔽滤波器能够改善Π型滤波器的高频性能。对于非常低的频率，使用Π型滤波器可提供高衰减，如屏蔽室的电源线滤波。

图8-5Π型滤波器

图8-6T型滤波器

(5)T型滤波器(T-SectionFilter)的电路结构如图8-6所示。T型滤波器能够有效地抑制瞬态干扰，主要缺点是需要两个电感器，使滤波器的总尺寸增加。

T型滤波器的插入损耗为

(8-5)

2.高通滤波器

高通滤波器主要用于从信号通道中排除交流电源频率以及其它低频干扰。高通滤波器的网络结构与低通滤波器的网络结构具有对称性，只要把低通滤波器相应位置上的电感器换成电容器(此电容器的电容值等于电感器的电感值的倒数)，把电容器换成电感器(此电感器的电感值等于电容器的电容值的倒数)，低通滤波器就转换成高通滤波器。即把每个电感L(H)转换成数值为1/L(F)的电容，把每个电容C(F)转换成数值为1/C(H)的电感。这一过程可以表示为

图8-7给出了一个低通滤波器转换成具有对称网络结构的高通滤波器的例子。

图8-7低通滤波器向高通滤波器的转换

3.带通滤波器与带阻滤波器

带通滤波器是对通带之外的高频或者低频干扰能量进行衰减，允许通带内的信号无衰减地通过。带阻滤波器的频率特性与带通滤波器的频率特性正好相反。

反射式滤波器的应用选择，由滤波器型式、源阻抗和负载阻抗之间的组合关系确定。使用电源干扰抑制滤波器时，遵循输入端、输出端最大限度失配的原则，以求获得最佳抑制效果，如表8-2所示。当源阻抗和负载阻抗都比较小时，应选用T型或者串联电感型滤波器；当源阻抗和负载阻抗都比较大时，应选用Π型滤波器或者并联电容滤波器；当源阻抗和负载阻抗相差较大时，应选用L型滤波器。

表8-2滤波器的选用

吸收式滤波器又名损耗滤波器。它将信号中不需要的频率分量的能量消耗在滤波器中(或被滤波器吸收)，而允许需要的频率分量通过，来达到抑制干扰之目的。吸收式滤波器由有耗元件构成。

8.4吸收式滤波器

尽管一些反射式滤波器的输入阻抗、输出阻抗在理论上可在一个相当宽的频率范围内与指定的源阻抗、负载阻抗相匹配，但在实际中这种匹配情况往往不存在。例如，电源滤波器几乎总不能实现与其连接的电源线阻抗的匹配。另一个例子是发射机谐波滤波器的设计，一般是使其在基频上与发射机的输出阻抗相匹配，而不一定在其谐波频率上匹配。正因为存在这种失配，很多时候当把一个反射式滤波器插入携带干扰的传输线路时，实际上将在线路上会形成干扰的增加而不是减少。这个缺陷存在于所有低耗元件构成的滤波器中。这正是反射式滤波器的缺点——阻抗失配。滤波器的输入阻抗和源阻抗不匹配时，一部分有用信号的能量将被反射回源，这导致干扰电平的增加而不是减少，因而导致了吸收式滤波器的研制、应用。

吸收式滤波器通常做成具有媒质填充或涂覆的传输线形式，媒质材料可以是铁氧体材料或者其它有耗材料。因此，这种滤波器又称为有耗滤波器。例如一段短的铁氧体管，在其内、外表面上，以紧密接触沉积导电的银涂层，形成同轴传输线的内、外导线。这样制成的一段同轴传输线，其损耗很大，既有电损耗又有磁损耗，且损耗随着频率的增加而迅速增加,因此，可以作为低通滤波器，广泛地用于对电源线的滤波。图8-8示出了两个铁氧体管制成的吸收式滤波器的插入损耗特性。两个铁氧体管外径均为1.5cm，内径均为0.95cm，一个长度为7.5cm，另一个长度为15cm。由图可见，此滤波器的截止频率与铁氧体管的长度成反比，插入损耗与铁氧体管的长度成正比。

图8-8铁氧体管的插入损耗与频率的关系吸收式滤波器的缺点在于滤波器通带内有一定的插入损耗，这是由吸收式滤波器中的有耗媒质引起的。因此，必须选择合适的损耗材料，合理的设计吸收式滤波器，以减少滤波器通带内的损耗。

1.电缆滤波器

将铁氧体材料填充在电缆里可以制成电缆滤波器。例如，将铁氧体材料填充在同轴线内、外导体间，可以构成有耗同轴电缆，如图8-9所示。电缆滤波器的特点是体积小，具有理想的高频衰减特性，只需较短的一段有耗电缆就可以获得预期的滤波效果。

吸收式滤波器与反射式滤波器串联起来组合使用，可达到更好的滤波效果。按此方法构成的滤波器，既有陡峭的频率特性，又有很高的阻带衰减。例如，在低通反射式滤波器前面接入一小段同轴线，在同轴线内、外导体之间填充6∶1的铁粉和环氧树脂组合介质材料。这一组合滤波器的频率特性如图8-10所示。

图8-9有耗同轴电缆的典型结构

图8-10接入有耗线后低通反射式滤波器的频率特性

2.滤波连接器

将铁氧体直接组装到电缆连接器内可以构成滤波连接器，如图8-11所示。它在100MHz～10GHz的频率范围内可获得60dB以上的衰减。

图8-11常用损耗滤波器结构

图8-12铁氧体磁环

3.铁氧体磁环

管状铁氧体磁环(如图8-12所示)提供了一种抑制通过导线的不需要的高频骚扰的既简便又经济的方法。当导线穿过磁环时，在磁环附近的一段导线将具有单匝扼流圈的特性，低频时具有低阻抗。这个阻抗随着流过电流的频率的升高而增大，在一个宽的高频带内，具有适中的高阻抗,以抑制高频电流的通过。因此，用铁氧体磁环可以构成低通滤波器。

加长磁环或者将几个磁环同时穿入导线，则这段导线的等效电感值和电阻值将随着磁环长度的增加而增大。如果将导线绕上几圈穿过磁环，则总电感值和总电阻值将随圈数的平方而增大。但是，圈数增加，匝间分布电容的存在和增加，会导致高频抑制作用随之下降，所以多匝线圈的应用，只在相对低的频率上最有效。

铁氧体磁环最适合于用来吸收由开关瞬态或者电路中的寄生响应所产生的高频振荡，也可以用来抑制输入、输出的高频骚扰。当所抑制的信号频率超过1MHz时，抑制效果相当明显。当在有直流电流通过的电路上使用铁氧体磁环时，必须保证通过的电流不会使铁氧体材料达到磁饱和。

4.穿芯电容器

穿芯电容器(如图8-13所示)由金属薄膜卷绕而成，其中一个端片和中心导电杆焊在一起，另一端片与电容器外壳焊在一起作为接地端。穿芯电容器是一种短引线电容器，它的特殊结构使其自谐振频率可达1GHz以上，因此可以用于高频滤波。穿芯电容器价格低廉，安装方便，在电磁兼容性工程中应用广泛。穿芯电容器通常安装在用电设备的导电外壳上，并且将穿芯电容器的外壳极与用电设备的接地金属外壳连接，另一导电杆串联在导线上，使穿芯电容器对干扰信号起到旁路作用。穿芯电容器常作为电源中共模干扰的高频滤波。

图8-13穿芯电容器穿芯电容器与铁氧体磁环结合构成的高频滤波电路，常用于抑制电源线上的共模高频干扰。例如，电动机的控制线路中，由电动机碳刷滑动接触发射的高频辐射和传导干扰，将向外辐射或者通过接线端传导至低电平电路。为防止辐射干扰，应采用金属屏蔽体将电动机屏蔽，然后将穿芯电容器和磁环连接于导线上以抑制电动机产生的传导干扰，如图8-14所示。

图8-14穿芯电容器与铁氧体磁环的组合应用

强制性的传导发射标准主要体现在电源线上，因此，许多制造商将用于设备电源输入端的滤波器作为一个独立的器件，开发了各种尺寸、各种电路结构的产品。在电子设备供电电源(例如220V/50Hz)上，存在各种形式的电磁骚扰。图8-15(a)是用示波器观察到的220V/50Hz的电源线上存在的实际骚扰信号，图8-15(b)是在2ms时间内记录到的随机骚扰信号。从图中清楚地看到，50Hz上叠加有持续时间小于5μs、幅度大于50V的尖峰信号。我们把这类信号称为来自电子设备外部的传导骚扰信号。另一方面，许多电子设备在完成其功能的同时，也产生传导骚扰信号。8.5电源线滤波器

图8-15电源线上的传导骚扰信号电源线滤波器(PowerLineFilter)又称为电源滤波器、电源噪声滤波器和在线滤波器等。电源线滤波器实际上是一种低通滤波器，它毫无衰减地把直流、50Hz、400Hz等直流或者低频电源功率传送到用电设备，却显著地衰减经电源线传入的传导骚扰信号，保护用电设备免受其害，同时又能大大抑制用电设备本身产生的传导骚扰信号，防止其进入电源，危害其它设备。

8.5.1共模干扰和差模干扰

电力电源线携带的电磁骚扰分为两类：共模电流/电压、差模电流/电压。共模干扰(Common-modeInterference)定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰(Differential-modeInterference)定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。因此，参考图8-16所示的三根导线，共模电压Uc和差模电压Ud为

(8-6)

图8-16共模和差模干扰

(8-7)

式中：UPG是相线(PhaseWire)与地线(GroundWire)之间的电压；

UNG是中线(NeutralWire)与地线之间的电压。由图8-16可见，来自源经相线和中线的差模干扰电流Ic经地线离开负载返回，来自源经相线的差模干扰电流Id经中线离开负载返回。

任何电源系统内的传导骚扰，都可用共模骚扰和差模骚扰来表示，并且可以将相线-地线、中线-地线间/上的共模骚扰信号，相线-中线间/上的差模骚扰信号，看作独立的骚扰源，将相线-地线、中线-地线和相线-中线看作独立网络端口，以便分析骚扰信号和相关的滤波网络。

8.5.2电源线滤波器的网络结构

如前所述，电源线上呈现的干扰有两部分：共模电流和差模电流。为了抑制中线-地线和相线-中线间的共模干扰和差模干扰，电源线滤波器由许多LC低通网络构成，分为共模滤波网络(如图8-17所示)和差模滤波网络(如图8-18所示)。

图8-17共模滤波器

1.共模滤波器

通常，采用电容器位于负载端、电感器位于源端的LC滤波网络构造共模滤波器(Common-modeFilter)。为了增加衰减，实现理想的频率特性，可以级连几个LC滤波网络。图8-17中的电容器Cy旁路对地的共模电流；电容器Cx旁路相线-中线上的共模电流，防止此共模电流到达负载。需要低源阻抗时，可以采用一个T型低通滤波器。

由于高源阻抗的存在，所以在滤除共模干扰的过程中，采用大的相线-地线电容很有必要。然而这样的大电容会导致地线中的高漏电电流，从而产生电位冲击危害。因此，电气安全机构对相线-地线电容器的最大值、取决于线电压的最大允许漏电电流值进行了限值。为了避免放电电流引起的冲击危害，相线-相线电容器Cx必须小于0.5μF。另外，应增加一个泄流电阻，在冲击危害出现后，以使交流插头两端的电压小于34V。

共模滤波器的衰减在低频主要由电感器产生，而在高频大部分由电容器Cy旁路实现。在高频，电容器Cy的引线电感引起的谐振效应具有十分重要的意义。应用陶瓷电容器可以降低引线电感。

2.差模滤波器

图8-18所示是采用电容器位于负载端，电感器位于源端的LC滤波网络构成的差模滤波器(Differential-modeFilter)。电感器对差模干扰产生衰减，并联电容器Cx旁路差模干扰电流并防止它们到达负载。

图8-18差模L型滤波器

图8-19组合差模共模滤波器

3.组合差模共模滤波器

实际上，电源线上往往同时存在共模干扰和差模干扰，因此，实用的电源线滤波器是由共模滤波电路和差模滤波电路组合构成的滤波器。图8-19示出了一个组合差模共模滤波器(CombinedCMandDMFilter)的典型电路结构。首先用L型滤波器滤除差模干扰，接着用具有平衡、非平衡电感器(BalunInductor)的Π型滤波器滤除共模干扰。图8-地线之间的漏电电流和中线-地线之间的漏电电流。

电感器由两个绕在同一磁环上的两个独立线圈(称为共模线圈)组成。这两个独立线圈所绕圈数相同，绕向相反，致使滤波器接入电路后，两个线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两个线圈的电感值保持不变。但是，由于各种原因，例如磁环材料的非均匀性、两个线圈绕制的非对称性等，使两个线圈的电感值不相等。两个线圈的电感值之差，称为差模电感。差模电感和Cx又组成相线-中线独立端口间的一个低通滤波器，抑制电源线上的差模干扰，从而实现对电源系统的骚扰信号的抑制，保护电源系统内的设备不受其影响。

图8-19的滤波器电路是无源网络，具有互易性。当其安装在供电电源与电子设备之间后，它既能有效地抑制电源线上存在的干扰信号传入设备，又能大大衰减电子设备工作时本身产生的传导骚扰传向电源。实际应用中，要达到有效地抑制骚扰信号的目的，必须对滤波器两端将要连接的源阻抗和负载阻抗进行合理选择(具体选择见表8-2)。

滤波器对电磁干扰的抑制作用不仅取决于滤波器本身的设计和它的实际工作条件，而且在很大程度上还取决于滤波器的安装。滤波器的安装正确与否对其插入损耗