第五章電磁兼容濾波哈工大江濱浩

1電磁濾波技術

電氣工程系江濱浩研究生學位課－電磁兼容（6）濾波2濾波器的作用切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構成完善的干擾防護。信號濾波器電源濾波器濾波3

濾波器分類濾波4電磁干擾濾波器濾波5頻率范圍寬阻抗不確定頻率范圍寬，過渡帶窄；阻抗不確定，變化范圍寬濾波6顯然，當時，IL大于零，IL越大，濾波效果越好濾波7

按頻率特性分類

濾波8衰減衰減衰減衰減低通帶通高通帶阻3dB截止頻率濾波9

干擾濾波器多為低通濾波器

因為電磁干擾大多頻率較高的信號，因為頻率越高的信號越容易輻射和耦合

數字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，防止對其它電路產生干擾。

電源線上的雜波有較高頻率較高頻率較高時，雜散電容和電感之間的相互串擾嚴重濾波10

低通/反射濾波器類型

C

TL反

電容并聯在要濾波的信號線與信號地線之間（濾除差模干擾電流）或信號線與機殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯在要濾波的信號線上。

電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。

不同結構的濾波電路適合于不同的源阻抗和負載阻抗。濾波1120406080100

fc10fc100fc1000fc

5階

4階

3階

2階

1階20N/十倍頻程6N/倍頻程插入損耗dB過渡帶與器件數量的關系

每增加一個器件，過渡帶的斜率增加

20dB/十倍頻程，或

6dB/倍頻程。濾波12

確定濾波器階數50100欲衰減20dB46=2420至少4階濾波器10100120=201階濾波器就可以了為了保險，可用2階欲衰減20dBL、C的數值決定截止頻率階數決定過渡帶的陡度濾波13

根據阻抗選用濾波電路

源阻抗

電路結構

負載阻抗

高C、、多級

高

高

、多級

低

低

反、多級反

高

低L、多級L

低濾波14網絡解釋：濾波器看作二端口網絡，反射系數在輸入和輸出端分別為

規律：電容對高阻，電感對低阻

源阻抗

電路結構

負載阻抗

高C、、多級

高

高

、多級

低

低

反、多級反

高

低L、多級L

低濾波15器件參數的確定LCRRL=R/2FCC=1/2RFC對于T形（多級T）和形（多級）電路，最外邊的電感或電容取L/2和C/2，中間的不變。巴特沃斯，切比雪夫，貝塞爾等方式－后論

濾波16插入損耗的估算fco

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

=Rs/(2L）Zs、ZL串聯~ZsLZs

假設電感、電容是理想器件，這是不符合實際情況的

ZLZL濾波17

形濾波電路：

IL=20lg[（

L/ZS）+LC

2]，

ZS>>ZL

反

形濾波電路：

IL=20lg[（

L/ZL）+LC

2]，

ZS<<ZL

；T形濾波電路：

IL=20lg[

2LC+（L2C

3+2

L）/（ZS+ZL）]ZS、ZL<50

；

形濾波電路

IL=20lg[

2LC+（LC2

3+2

C）ZSZL/（ZS+ZL）]ZS、ZL>50

；

反

濾波18實際電容器的特性ZC理想電容f引線長1.6mm的陶瓷電容器

電容量

諧振頻率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.6

3300pF19.31100pF33680pF42.5330pF60實際電容1/2LCCL巧用諧振點濾波19濾波20克服電容非理想性的方法

大容量

頻率衰減小電容大電容并聯電容小容量

美中不足：在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現電感特性（阻抗隨頻率升高增加），小電容呈現電容特性，實際是一個LC并聯網絡。這個LC并聯網絡在會在某個頻率上發生并聯諧振，導致其阻抗為無限大，這時電容并聯網絡實際已經失去旁路作用。如果剛好在這個頻率上有較強的干擾，就會出現干擾問題。若將大、中、小三種容值的電容并聯起來使用，會有更多的諧振點，濾波器在更多的頻率上失效。

簡單的方案：大小電容并聯，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻。濾波21

三端電容器的原理引線電感與電容一起構成了一個T形低通濾波器在引線上安裝兩個磁珠濾波效果更好地線電感起著不良作用三端電容普通電容30702060401GHz

三端電容（比較流行的方法）：一個電極上的兩根引線串聯在需要濾波的導線中。導線電感與電容構成了一個T形濾波器，消除了一個電極上的串聯電感。三端電容比普通電容具有更高的諧振頻率和濾波效果。并可在三端電容兩個相連的引線上套兩個鐵氧體磁主，進一步提高T形濾波器的效果。衰減諧振頻率后移濾波22

三端電容器的不足寄生電容造成輸入端、輸出端耦合接地電感造成旁路效果下降

中間的接地線越短越好，避免兩側的引線的平行部分過長，否則高頻濾波效果會打很大折扣。

制約著其高頻效果的兩個因素：寄生電容耦合，接地線的電感。三端電容的濾波效果一般在300MHz以下。濾波23

穿心電容更勝一籌金屬板隔離輸入輸出端

一周接地，電感很小

接地電感小：當穿心電容的外客與面板之間在360°的范圍內連接時，連接電感是很小的。因此，在高頻時，能夠提供很好的旁路作用。輸入輸出沒有耦合：用于安裝穿心電容的金屬板起到了隔離板的作用，使濾波器的輸入端和輸出端得到了有效的隔離，避免了高頻時的電容耦合現象。

穿心電容的濾波范圍可以達到數GHz以上濾波24濾波25穿心電容的插入損耗穿心電容插入損耗頻率1GHz普通電容理想電容

穿心電容的阻抗接近理想電容，只是在某個頻率會出現一個凹陷。濾波26溫度對陶瓷電容容量的影響125-309030%C0.15-0.150-551255-150-55-10-5COGX7R-6020-300Y5V%C%C

陶瓷電容濾波器是鈦酸鋁等陶瓷材料制成，其工作原理是利用陶瓷材料的壓電效應將電信號轉換為機接信號，再將機接信號轉換為機接電信號。溫度的穩定性差。濾波27電壓對陶瓷電容容量的影響COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100

%額定電壓（Vdc）%C濾波28濾波29實際電感器的特性

電感量（

H）

諧振頻率

(MHZ)3.4458.828685.7

1252.65001.2f

繞在鐵粉芯上的電感ZL理想電感實際電感1/2LCLC濾波30濾波31電感寄生電容的來源每圈之間的電容CTT導線與磁芯之間的電容CTC磁芯為導體時，CTC為主要因素，磁芯為非導體時，CTT為主要因素。CTCCTT濾波32磁芯/繞線方式對寄生電容的影響鐵粉芯(非導電）C=4.28pfC=3.48pf19%鐵氧體（錳鋅）C=51pfC=49pf4%

鐵粉芯作磁芯時，由于它不導電，不僅寄生電容很小，而且當將繞線方式改為松散繞制時，電容下降了將近20%。用錳鋅鐵氧體作磁芯時，由于這種材料導電率較高，不僅電容量較大，而且與繞線方式關系不大。繞線方式濾波33

減小電感寄生電容的方法然后：起始端與終止端遠離（夾角大于40度）盡量單層繞制，并增加匝間距離多層繞制時，采用“漸進”方式繞，不要來回繞。如果磁芯是導體，首先：用介電常數低的材料增加繞組導體與磁芯之間的距離濾波34分組繞制：（要求高時，用大電感和小電感串聯起來使用）

總電容是兩寄生電容的串聯，總容量比每段的寄生容量小電感分解成較大的電感和較小電感的串聯，使電感的帶寬擴展。代價是體積和成本。并引入了額外的串聯諧振點。諧振點上阻抗很小。濾波35

電感磁芯的選用

錳鋅：

r=500~10000，R=0.1~100m鐵粉磁芯：不易飽和、導磁率低，作差模扼流圈的磁芯鐵氧體：最常用鎳鋅：

r=10~100，R=1k~1Mm超微晶：

r>10000，做大電感量共模扼流圈的磁心

空心線圈的電感量很小，使用導磁率較高的材料作磁芯可大大地增加電感量。

濾波36

電感量與飽和電流的計算SD1D2飽和電流：

Imax=BmaxS(D1-D2)/2L電感量：

L（nH）=0.2N2

rS(mm)ln(D1/D2)電感量廠家手冊給出廠家經常給出每匝的電感量“AL”，則L（nH）=AL

N2當電感磁芯發生飽和時，電感量變小，失去對干擾的抑制作用。若額定電流大于飽和電流（Imax），就會發生飽和，需要調整磁芯的尺寸（D1，2/S），使額定電流小于Imax

濾波37濾波38利用共模扼流圈避免電感飽和

這種電感只對共模干擾電流有抑制作用，而對差模電流沒有影響，因此叫共模扼流圈。寄生差模電感的好處：部分漏磁產生差模電感。寄生差模電感的存在可以對差模干擾有一定的抑制作用。在設計濾波器時，可以將這種因素考慮進來。

有意增加漏磁，利用差模電感濾波39濾波40吸收式濾波器吸收式濾波器是由有耗器件構成的，在阻帶內吸收躁聲的能量轉化為熱損耗，從而起到濾波作用。鐵氧體吸收型濾波器是目前應用發展很快的一種低通濾波器。鐵氧體是一種由鐵、鏡、鋅氧化物混合而成，具有很高的電阻率，較高的磁導率(約為100一1500)磁性材料。低頻電流可以幾乎無衰減地通過鐵氧體，高頻電流卻會受到很大的損耗，轉變成熱量散發。它可以等效為電阻和電感的串聯。電阻值和電感量都是隨著頻率而變化的濾波41鐵氧體的相對導磁常數磁性體材料誘電體材料High電

/High磁

材料e

100100101101102102103103104104105105

相對導磁常數:ur相對介電常數濾波42鐵氧體濾波機理Z(f）Z(f)

RZL

在低頻，磁芯的磁導率較高，磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感。高頻：阻抗由電阻成分構成。隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加。當高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。

濾波43濾波44濾波45

電源線濾波器電源線的傳導騷擾電壓濾波46濾波47

共模干擾和差模干擾

相－中（UPG），中－地（UN

G）——共模電流

IC，相－中（UPN）————差模電路ID

可看作獨立干擾來研究需同時濾波抑制濾波48電源線濾波器的基本電路共模扼流圈差模電容共模電容濾波49濾波50濾波51濾波52濾波53濾波54損耗頻率理想濾波器特性實際濾波器特性一般產品說明書上給出的數據是50

條件下的測試結果。30MHz越來越受到關注電源線濾波器的特性濾波55或精心繞制或多個電感串聯改善濾波器高頻特性的方法濾波56濾波57濾波58濾波59信號濾波器的安裝位置板上濾波器無屏蔽的場合濾波器靠近被濾波導線的靠近器件或線路板一端。有屏蔽的場合：在屏蔽界面上濾波60板上濾波器的注意事項濾波器要并排安裝線路板的干凈地與金屬機箱或大金屬板緊密搭接為濾波設置干凈地在接口處設置檔板濾波器靠近接口濾波61面板上濾波的簡易（臨時）方法容量適當的瓷片電容或獨石電容，引線盡