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欢迎各位同学回到电磁兼容的课堂

我们接着讲第十二讲

电磁干扰滤波

一个设备接收到的信息

包括了有用信号和电磁骚扰信号

电磁骚扰的频普很宽

超出了设备的工作的频段

滤波就是将工作频段以外的频段去掉

滤波就是将工作频段以外的频段去掉

不让它进入设备

而对于在工作频段的干扰

则采用限压的措施

将高于设备耐受电平以上的干扰去掉

将高于设备耐受电平以上的干扰去掉

在介绍滤波之前

先介绍信噪比

接收器的频带是无限宽

进入接收器的噪声的频谱

可以从0到∞来积分

假设有用信号为S

那信噪比又是S除以N

如果让接收器的频带限制为f₁到f₂

则进入接收器的噪声为 f₁到f₂的积分

在这个情况下

对应的造成的屏幕是N'

显然信噪比S除以N'

是大于S除以N的

也就是说限制了频段之后

它的信噪比增加了

滤波的作用

是限制接收信号的频带以抑制无用的干扰

而不影响有用信号

提高接收器的信噪比

滤波器

它允许某些频率通过

而对于其它频率成分则加以抑制

因此滤波器是分离信号

剔除干扰

能够显著的减小传导干扰的电平

属于频域的方法

滤波器它也具有双向性性

可以将外面的干扰滤掉

同时将内部的干扰滤掉不让它的传到外面

因此滤波器一般安装在线路进入屏蔽的位置

切断干扰

沿信号线路和电源线传播的路径

与屏蔽共同构成完善的干扰防护措施

那被滤掉的电磁干扰信号如何处理呢

另外如何实现滤波呢

滤波器是由集中和分布参数的

电感 电阻和电容构成的网络

或者是等效于这些元件的其它器件构成

由上述元件组成的复合电路

按频带来分

滤波器分为低频 高频 甚高频

超高频和微波滤波器

按网络中是否有电源来分

可以分为有源和无源滤波器

按功能来分

可以分为反射滤波器和吸收滤波器两大类

另外

根据滤波器的应用特点可以分为

信号选择滤波器

和电磁干扰滤波器

要注意的一点是

不要试图用有源滤波器来解决电磁干扰的问题

有源滤波器它的运算放大器

本身也是骚扰发生源

由于其非线性作用会产生新的骚扰频率成分

下面介绍一下滤波器的主要的电气参数

滤波器的主要参数包括中心频率 截止频率

以及在通带内最大的衰减极限

以及在阻带中某一频率下的最小衰减极限值

对于截止频率

一般定义为幅度衰减到3dB处

为上下的截止频率f₁和f₂

另外还有边界条件

它的源阻抗和负载阻抗

以及额定电压 额定电流 工作温度 可靠性

滤波器的可靠性

应该与整个设备的可靠性一致

还有它的重量和体积

在某些方面它也会有严格的要求

重量和体积和电压 电流的额定值

可靠性及工作温度指标会有矛盾

要保证它的滤波器的性能好

它的体积要大

重量要重

所以这是对滤波器设计的一个

非常关键的制约的因素

另外滤波器插入到电路中

会有插入损耗

插入损耗是指

插入前的电压和插入后的电压的比值

插入损耗越大

滤波器的滤波性能就越好

插入损耗越大

就表示了对电磁干扰的抑制作用就越强

在实际应用中

滤波器的插入损耗

又与什么因素有关呢

首先我们来看反射滤波器

反射滤波器

是由电感电容等电抗元件

或它们的组合网络构成的

它具有选频作用

不消耗能量

将不希望的频率的干扰

反射回去

在带通内呈现的是低串联阻抗和高并联阻抗

在带阻内呈现的是

低的并联阻抗和高的串联阻抗

滤波器的电路可以互换

完成同一功能的话

会有不同的结构

因此按频率选择来分

可以分为低通 高通 带通和带阻滤波器

如图所示

对于低通滤波器一个简单的电容

一个简单的电感

一个梯形电路

或π形电路都可以构成滤波器

电容并联在信号线与信号地之间

可以滤除差模干扰电流

或者在信号线与机壳地或大地之间

可以滤除共模干扰电流

对于单电感的滤波电路

它的插入损耗可以由这个公式计算

可以看出

它的插入损耗不光是与它自己的电感值相关

同时与源端阻抗和负载端的阻抗相关

这是π派形滤波电路的插入损耗计算公式

插入损耗除了与滤波器的自身特性相关外

源阻抗和负载阻抗

也是一个非常关键的影响因素

低通波器它的结构非常简单

但对于低通滤波器来说

滤波器的结构越简单

则它的幅频特性和相频特性都不是很理想

也就是它的过渡带会很长

电路中的滤波器的器件越多

则滤波器的阻带内的衰减就越大

滤波器通带与阻带之间的过渡带就会越短

一些多级滤波器的网络

主要用于性能要求比较严格的场所

它的设计比较复杂

但是有表格供标准滤波器设计查用

滤波器的插入损耗

与它的π形电路的级数有关

每增加一级

它会增加20dB/10倍频

或者是6dB/倍频

高通滤波器

是抑制低频干扰

和低通滤波器具有频率对称性

将低频滤波器的电容和电感互换

可以形成

电容值和电感值则分别用低通滤波器中

对应的电感值和电容值的导数

来代替

低通滤波器的截止频率

即为高通滤波器的截止频率

第三个是带通滤波器

带通滤波器只允许在某一个频段的

电信号通过

结构上相当于低通滤波器和高通滤波器的并联

它有中心频率

上下截止的频率

带通滤波器

它的带宽为两个截止频率之差

第4个是带阻滤波器

带阻滤波器与带通滤波器刚好相反

只抑制一个频段

其余频段的信号都可以通过

它的参数也可以由带通滤波器最后获得

我们再来看看实际滤波器的性能

对于实际的电源的滤波器

对于低通滤波器

它的高频部分滤波特性很差

类似于带通了

这个图给出了

好的高频性能的低通滤波器

和差的低通滤波器的效果

我们知道

一般产品说明书上给出的数据

都是在50Ω以下的测试结果

为什么

低通滤波器

它在高频段

它的内部性能反倒变差了

先要从元器件的性能来说

一个实际的电容

它本身它的引线有电感

二者形成了串联谐振

存在一个转折的频率

在低于这样一个转折的频率

它是电容

高于这样一个转折频率

它就变成电感了

引线长1.6mm的陶瓷电容器

它对应于不同的谐振频率的电容量

列在这样一个表格中

这是一些表面贴装电容的阻抗特性图

对于实际电感

它相当于并联了很多的杂散内容

它也会形成谐振

在谐振频率的左端

它是电感

右端它就变成电容了

绕在铁粉上的电感

对应于不同

谐振频率

它对应的电感量可以由这个表看出来

为了克服电容的非理想性

是否可以采用大小电容并联呢

从这个图可以看出

频率特性会形成三个区

电容区

电容电感并联区和电感区

较好的方法是采用穿心电容

穿心电容像连接线降低到最短

一般可以穿过音速隔板来安装

它形成了一周的基地

它的电感是非常小

以穿心电容为基础的馈通滤波器

广泛地应用于射频滤波

其次是采用三端电容器

所谓的三端电容器

就是它的引线不是T型结构

而是v字型

这样的话将引线的电感降低到最小

这个图给出了

普通电容器跟三端电容器的谐振频率

采用三段电容器之后

谐振频率明显右移

有两个因素

制约三端电容的高频效果

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

引线电感与电容

一起构造了一个T形的低通滤波器

三端滤波器一般可以控制在300MHz以下

三端电容器的正确使用方法如图所示

它要求一个干净的地

另外与机壳或其它较大的金属件

形成射频搭建

比较这两种接地方式

下面这种短引线是对的

另外对于电感来说

我们要减少它的电感寄生电容

如起始端与终端隔离

另外

尽量采用单层的绕制并增加匝间的距离

多层绕制时

采用渐进的方式

而不要采用回绕的方式

另外也可以采用分组绕制

这些方法都可以减少寄生电容

再一个问题是滤波器的阻抗失配问题

像这样一个简单的LC的滤波器

叠了一个负载电阻

这个图给出了它的一个频率特性

它应该是工作在截止频率以上

但是在截止频率以下

可以看出随着负载电阻的变化

它的插入损耗甚至出现了负值

负值就表示是增益

实际上它是相当于引入了电磁骚扰

这也就是说出现了阻抗的失配

那我们来看看电感和电阻并联的情况

它同样当电阻在某个范围出现了负的插入损耗

另外对于电容性负载也是一样

所以在滤波器设计时

千万要注意它的阻抗特性

防止出现这种负的插入损耗的现象

这个图

给出了在一些严重失配条件下

建议采用的电磁干扰滤波器的结构

根据它的源的内阻和负载特性

选用不同的类型的滤波器

包括了T型滤波器

π型滤波器

L型滤波器

和C型滤波器

这些滤波器即使在严重失配的情况下

也能够提供60dB/10倍频的插入损耗

下面介绍损耗滤波器

在一些滤波器的应用场所

我们不希望电磁干扰被反射回去

而是应该把它消耗掉

反射滤波器是采用铁氧体

可以套在导线上的空心磁芯或环

起到有耗电感的作用

这个图给出了它的损耗特性

铁氧体发热

消耗高频能量

导致它的高频滤波性能很好

损耗滤波器的种类有多种

凡是缠绕在磁芯上的扼流圈

铁氧体磁环

内外表面镀上导体的铁氧体管所构成的传输线

都可以看作是损耗滤波器

另外损耗滤波器它以涡流的形式

将不需要的能量转变为热能

而不是反射回去

损耗滤波器可以做成损耗传输性的形式

称作损耗传输线滤波器

吸收型滤波器

可以直接装在电缆连接器的插头上

它的优点是体积小

缺点是频率特性不是十分理想

对于损耗滤波器

如果长度为l的损耗传输线

它的损耗可以由这样一个公式计算

包括三部分

第一部分是本真损耗

第二项和第三项为失配损耗

即

入射波产生的损耗和反射波产生的损耗

这里k₁是信号端的反射系数

k₂是负载端的反射系数

γ是损耗传输线的传播常数

那如何消除共模干扰耦合呢

一般采用共模扼流圈

如图所示

将线路的来回对称的绕着在一个磁环上面

这样它只对共模干扰的电流有抑制作用

对差模电流没有影响

差模电流在回路产生的磁通会相互抵消

而共模电流通过时

扼流圈产生的磁通会相加

变成了一个很大的电感

阻碍了共模电流在这个回路流动

它的好处可以允许大的工作电流

而线圈不饱和

同时扼流圈的体积可以做到比较小

这是它的基本等值电路

和对应的差模等值电路

和共模等值电路

最后总结一下

滤波和屏蔽

对于一个设备来说

相当于自行车的两个轮子

只有同时存在才能够起作用

滤波的作用是分离信号

剔除干扰

电源线滤波是消除传导干扰

限制辐射干扰发射

信号滤波器它是消除辐射干扰

同时消除传导干扰

需要根据所要求的插入损耗

和滤波器两端电路的阻抗

来确定滤波器的电路的结构

滤波器根据应用场景可以分为

吸收滤波器和反射滤波器

采用三端电容和穿心电容

可以大幅改进电容的高频特性

而滤波器中使用的电感电容都不是理想器件

这就会导致滤波器的性能与所设计的相差甚远

另外铁氧体磁芯

通过高频损耗来抑制电磁干扰

以上就是本讲内容

谢谢各位