第五章-电磁兼容课件-滤波 哈工大江滨浩

EMC-51电磁滤波技术电气工程系江滨浩研究生学位课－电磁兼容（6）EMC-52滤波器的作用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EMC-53滤波器分类EMC-54电磁干扰滤波器EMC-55频率范围宽阻抗不确定频率范围宽，过渡带窄；阻抗不确定，变化范围宽EMC-56显然，当时，IL大于零，IL越大，滤波效果越好21VVEMC-57按频率特性分类EMC-58衰减衰减衰减衰减低通带通高通带阻3dB截止频率EMC-59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EMC-510低通/反射滤波器类型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。EMC-51120406080100fc10fc100fc1000fc5阶4阶3阶2阶1阶20N/十倍频程6N/倍频程插入损耗dB过渡带与器件数量的关系每增加一个器件，过渡带的斜率增加20dB/十倍频程，或6dB/倍频程。EMC-512确定滤波器阶数50100欲衰减20dB46=2420至少4阶滤波器10100120=201阶滤波器就可以了为了保险，可用2阶欲衰减20dBL、C的数值决定截止频率阶数决定过渡带的陡度EMC-513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EMC-514网络解释：滤波器看作二端口网络，反射系数在输入和输出端分别为LoutLoutoutZZZZinsinsinZZZZ规律：电容对高阻，电感对低阻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EMC-515器件参数的确定LCRRL=R/2FCC=1/2RFC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。巴特沃斯，切比雪夫，贝塞尔等方式－后论EMC-516插入损耗的估算fco=1/(2RpC)~Zs、ZL并联CILfco=Rs/(2L）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ZLZLEMC-517形滤波电路：IL=20lg[（L/ZS）+LC2]，ZSZL反形滤波电路：IL=20lg[（L/ZL）+LC2]，ZSZL；T形滤波电路：IL=20lg[2LC+（L2C3+2L）/（ZS+ZL）]ZS、ZL50；形滤波电路IL=20lg[2LC+（LC23+2C）ZSZL/（ZS+ZL）]ZS、ZL50；反EMC-518实际电容器的特性ZC理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器电容量谐振频率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.63300pF19.31100pF33680pF42.5330pF60实际电容1/2LCCL巧用谐振点EMC-519EMC-520克服电容非理想性的方法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。EMC-521三端电容器的原理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。衰减谐振频率后移EMC-522三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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。EMC-523穿心电容更胜一筹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。穿心电容的滤波范围可以达到数GHz以上EMC-524EMC-525穿心电容的插入损耗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。EMC-526温度对陶瓷电容容量的影响125-309030%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。EMC-527电压对陶瓷电容容量的影响COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100%额定电压（Vdc）%CEMC-528EMC-529实际电感器的特性电感量（H）谐振频率(MHZ)3.4458.828685.71252.65001.2f绕在铁粉芯上的电感ZL理想电感实际电感1/2LCLCEMC-530EMC-531电感寄生电容的来源每圈之间的电容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。CTCCTTEMC-532磁芯/绕线方式对寄生电容的影响铁粉芯(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。绕线方式EMC-533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，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EMC-534分组绕制：（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）总电容是两寄生电容的串联，总容量比每段的寄生容量小电感分解成较大的电感和较小电感的串联，使电感的带宽扩展。代价是体积和成本。并引入了额外的串联谐振点。谐振点上阻抗很小。EMC-535电感磁芯的选用锰锌：r=500~10000，R=0.1~100m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~1Mm超微晶：r10000，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。EMC-536电感量与饱和电流的计算SD1D2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（D1，2/S），使额定电流小于ImaxEMC-537EMC-538利用共模扼流圈避免电感饱和这种电感只对共模干扰电流有抑制作用，而对差模电流没有影响，因此叫共模扼流圈。寄生差模电感的好处：部分漏磁产生差模电感。寄生差模电感的存在可以对差模干扰有一定的抑制作用。在设计滤波器时，可以将这种因素考虑进来。有意增加漏磁，利用差模电感EMC-539EMC-540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EMC-541铁氧体的相对导磁常数磁性体材料诱电体材料High电/High磁材料ee100100101101102102103103104104105105相对导磁常数:ur相对介电常数jEMC-542铁氧体滤波机理Z(f）Z(f)RZLZfKjK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。EMC-543EMC-544EMC-545电源线滤波器电源线的传导骚扰电压EMC-546EMC-547共模干扰和差模干扰cIcI相－中（UPG），中－地（UNG）——共模电流IC，相－中（UPN）————差模电路ID可看作独立干扰来研究需同时滤波抑制PGNGPGNGCDU+UUUU=,U=22EMC-548cIcI电源线滤波器的基本电路共模扼流圈差模电容共模电容EMC-549EMC-550EMC-551EMC-552EMC-553EMC-554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。30MHz越来越受到关注电源线滤波器的特性EMC-555或精心绕制或多个电感串联改善滤波器高频特性的方法EMC-556EMC-557EMC-558EMC-559信号滤波器的安装位置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EMC-560板上滤波器的注意事项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EMC-561面板上滤波的简易（临时）方法容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短EMC-562电缆滤波的方法连接器屏蔽盒馈通滤波器EMC-563面板安装滤波器注意事项滤波器与面板之间必须使用电磁密封衬垫！EMC-564使用形滤波器的注意事项滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径EMC-565开关电源噪声原因：非线性和开关工作模式,50Hz的奇次谐波（1、3、5、7）非线性开关频率的基频和谐波（1MHz以下差模为主，1MHz以上共模为主）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.EMC-566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EMC-567电源线滤波器的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。越来越受到关注损耗频率理想滤波器特性实际滤波器特性30MHzEMC-568电源线滤波器的错误安装PCB滤波器滤波器输入线过长输入、输出耦合PCBE