滤波器的选择与应用

　　
　　滤波器的选择看似神秘，但实质上并非如此。不过在很多场合，即使竭尽全力采取以下所述方法来选择，也还是需要实验多个滤波器后才能挑出最合适的一只。电路设计人员如何确定在哪种场合该选用哪种滤波器呢？本文旨在帮助他们作出这种决定。
 

滤波器有关指标的计算
   
    通过将产品的发射频谱与相关的电磁兼容标准比较，可以估算用滤波器控制发射所需要的衰减量。对于抗扰性控制，可以通过比较外部电噪声（通常取自有关的电磁兼容抗扰度标准）与产品电子线路的敏感性以及干扰期间希望达到的性能等级来估算一个粗略值。
　　
                                         阻抗问题

　　滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，将射频电磁波中的大部分能量反射回源处。大多数滤波器的性能是在源和负载阻抗均为50的条件下测得的，这使我们直接联想到极为重要的一点，这就是滤波器的性能在实际情况下不可能达到最佳。
　　考察一个典型的电源线滤波器，它安装在交流电源线与作为电子产品直流电源的交-直流变换器之间。白天，交流电源的阻抗在2～2kΩ间变化，取决于与它连接的负载以及所关心的频率。连接到电子设备的电源线的特征阻抗大约在150Ω，当整流器在电源波形的尖峰附近导通时，相当于短路，而在其它时间，相当于开路。
　　滤波器参数是在50Ω的源和负载阻抗的测试环境下获得的，因为大多数射频测试设备采用50Ω的源、负载及电缆。这种方法获得的滤波器性能参数是最优化的，同时也是最具有误导性的。因为滤波器由电感和电容组成的，因此这是一个谐振电路。其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。
                     
                                 信号线滤波器

　　如果传导发射或辐射发射由不可避免的信号频谱引起，那么试图使用差模滤波器来减小这些发射并不是办法。不过对所关心的信号频谱范围内的频率，采用共模滤波是可行的，因为有用的信号是差模而非共模。
　　信号线滤波器的技术指标中，一般都忽略了地线噪声。驱动芯片会产生地线跳跃噪声，如果数字印刷电路板的地线面与机壳间的射频搭接不好，便会在所有导线中产生大量的数字0V噪声，因此，外封装上标有低转换速率的驱动芯片仍可能产生高电平的射频噪声。
　　低频模拟信号中使用的滤波器，尤其是当电子电路的灵敏度非常高时，需要采用如电源线滤波器一样的单级或多级电路。然而，在多数情况下，信号是数字化的或高电平模拟信号，对干扰不很敏感，因此可采用R、L、C、RC、LC、T、或π型滤波器，如图1所示。

图1 各种信号线滤波器

R和L滤波器的基本工作原理是产生一个高阻抗以反射干扰，但这通常仅能获得几个dB的衰减。当源和负载阻抗都较低时，这种滤波器是最适合的。L滤波器能产生谐振，因此最好由软铁氧体磁性材料做成（参见下述部分）。由于电阻中存在0.2 pF左右的寄生旁路电容,因此R滤波器在高频时会失去滤波效能.
　　C滤波器能产生一个低阻抗来反射干扰，通常用在源和负载阻抗都比较高的场合。通常，C滤波器的性能曲线看起来都是比较理想的，但实际上远不是这样。
　　具有较大R值的RC滤波器是比较理想的，因为它不会产生明显的谐振。但当信号频率在几kHz以上，或传输率在kB/s以上的电路中，高R值（最好是取10k左右）是不适合的。
　　LC、T和π型滤波器可以有更高的衰减值，但当它们连接到非50的源和负载阻抗的环境中时会发生谐振现象。这个问题可以通过在电感上装入铁氧体来解决。铁氧体在低频（有时可达10MHz左右）时呈电感特性，但在较高的频率处，它们失去了电感特性而表现出电阻特性。铁氧体磁珠在100MHz时的有效阻抗超过1k，但直流时的阻抗则小于0.5，因而在无用频率处呈现高阻状态，在有用频率处呈现低阻状态。
　　射频滤波器的一个鲜为人知的特性就是当它不连接到良好的射频参考地时，其效果是很差的。唯一能够作为射频参考地的是PCB上的实心地平面、金属板或金属壳体（“法拉第笼”），理想情况下，在被滤波的最高频率处，它们都不应有大于波长1/100的孔洞（空气中1GHz时3mm，或者在FR4纤维玻璃板中为1.5mm）。
　　滤波器中的电容与射频地之间的连线也应小于波长的1/100，同时还要保证电感很低。这就是说，除非在极低的频率下，否则安全地的绿/黄色导线不能作为滤波器地线。例如，如果装有2.2nF的Y型电容的电源线滤波器通过一根10cm长的绿/黄色导线接地，那么，在20MHz以上的频率时，由于地线电感的影响，其Y型电容将失效。
　　在估计绿/黄色导线地线的搭接性能时，可以假设导线的电感值约为1nH/mm。滤波器唯一正确的连接是将滤波器壳壁直接与射频地参考面或壳体连接起来。当然，只要有直接的射频地线搭接，那么出于安全考虑，装入绿/黄色导线也未尚不可。
　　如果滤波器要安装在PCB板上，其电容必须直接连接到地平面上。如果没有地平面，安装含有电容的滤波器是劳而无功的。如果滤波器安装在一个金属板或屏蔽壳体上，那么它必须是导电连接的，有时甚至有必要在滤波器安装面贴上一圈导电衬垫，以使滤波器壳体与其搭接的金属面间形成无缝隙的射频搭接。
　　军用信号滤波器一般属于C和π型，因为多数常见的军事设备都有一个很结实的、设计完善的射频地（金属浇注机箱）。因此，这种场合使用的滤波器一般不会受到射频地不良所带来的影响。
　　不过，对民用品、商业用品及工业制品来说，射频地的完整性通常是一个严重的问题，因为得处处考虑产品成本。因此，我发现在这种情况下，性能较好的信号线滤波器一般是RC、LC或T型的，将电阻或电感连接到外部导线上。这将使射频参考地线上的射频电流比C或π型滤波器产生的射频电流小得多。
　　如果一条电缆有多束芯线，通常最好的办法是将所有的芯线穿过一个共模扼流圈。如果减小敏感信号之间的串扰十分重要，则可以对芯线中各个信号分别采用共模扼流圈。图1表明用于五芯电缆的五路共模扼流圈的一个例子。
　　如果电源线滤波器不允许来自数字电路的900MHz的谐波泄漏到电源线中，这时就应考虑滤波器和屏蔽体的优化配合。这些接近微波频率的谐波会使产品的辐射发射加强。
　　射频滤波器的另一个鲜为人知的特性就是要将滤波器与屏蔽视为一个整体，两者相辅相成。错误的滤波器结构设计或安装方法很容易使产品辐射发射超标。

　                                 电源线滤波器

电源滤波器的基本原理

电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许直流或50Hz电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。

电源滤波器的主要指标

当我们选用电源滤波器时，应主要考虑三个方面的指标；首先是电压/电流，其次是插入损耗，最后是结构尺寸。由于滤波器内部一般是经过灌封处理的，因此环境特性不是主要问题。但是所有的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定的影响。

电源有交流直流之分，与此相对应，许多厂家的电源滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲，交流电源滤波器既可用在交流电源上，也可在直流电源上使用；但直流电源滤波器不能用在交流的场合，这主要因为直流滤波器中的电容器的耐压较低，并且有可能其交流损耗较大，导致过热。即使直流滤波器耐压没有问题，由于直流滤波器中使用了容量较大的共模滤波电容器，如果在交流的场合会产生漏电流超标的问题。因此，直流电源滤波器绝对不能用在交流的场合。交流滤波器用在直流场合，从安全的角度看没有问题，但要付出成本和体积的代价；在样机阶段，如果手头正好有交流滤波器，可以代替直流滤波器。

当电源滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会造成滤波器过热，而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。这是因为滤波器中的电感在较大电流的情况下，磁芯会发生饱和现象，使实际电感量减小。因此，确定滤波器的额定工作电流时，要以设备的最大工作电流为准，确保滤波器在最大电流状态下具有良好的性能，否则当干扰在最大工作电流状态下出现时，设备会受到干扰或传导发射超标。

在确定滤波器的额定电流时，要留有一定的余量；特别是人们习惯上对交流电称“有效值”，而不是交流电的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般滤波器的额定电流值应取实际电流值的1.5倍。

插入损耗对使用效果的影响：

从抑制干扰的角度考虑，插入损耗是最重要的指标。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。

选用电源滤波器如何确定所需要的插入损耗

首先在设备的电源入口处不安装滤波器，对设备进行传导发射和传导敏感度的测量，并与要满足的标准进行比较，看两者之间相差多少分贝，滤波器的作用是弥补上这个差距。以抑制设备的传导发射为例，给出了确定滤波器插入损耗的过程。首先将设备的传导发射值最大包络线A与标准给出的限制值线B相比较，计算其差值得到需要的插入损耗值C。由于电源滤波器是低通滤波器，将插入损耗C变换为低通滤波器插入损耗D，D就是滤波器需要的插入损耗值。

注意：D并不是低频滤波器的特性，而是一个带阻滤波器的特性，这是考虑到实际滤波器的非理想性。

但是不要从产品样本上选择插入损耗值满足D的滤波器，因为产品样本上的数据是在滤波器两端阻抗为50Ω的条件下测得的，而实际使用条件并不是这样。因此在实际使用条件下，滤波器的插入损耗会有所降低。为了保险起见，在从产品样本中选择滤波器时，应加20dB的余量。

实际电源滤波器与理想滤波器的差距

理想的电源滤波器是低通滤波器，但实际的电源滤波器通常是带阻滤波器。造成这种差别的原因是电容器和电感器的非理想性。

电容器的引线是有电感的，而电感线圈上又存在着寄生电容，尽管这些电感、电容很小，但当频率较高时，它们的影响是不能忽略的。因此由实际电感、电容器构成的低通滤波器电路在频率较高时，就变成了一个带阻滤波器电路。

此外，高频时器件之间的耦合也是造成滤波器在高频区间插入损耗减小的一个原因。器件之间的距离对滤波器的高频性能有很大的影响。这种影响在1MHz时就已经很明显了。

因此，即使滤波器的电路结构完全相同，由于器件的特性不同、器件的安装方式的不同、内部结构的不同，它们的高频性能会差很多。滤波器的电路结构仅决定了滤波器的低频特性。要想提高滤波器的高频性能，生产时需要从许多方面注意制作工艺，如选用电感小的电容器、制作寄生电容小的电感、焊接时电容器的引线尽量短、在内部采取适当的隔离等。

图2给出的单级电源线滤波器对源和负载的阻抗都很敏感，当工作在实际的源和负载阻抗条件下时，很容易产生增益，而不是衰减。这种增益通常出现在150kHz～10MHz的频率范围内，幅度可以达到10 ～ 20dB。因此，在产品上安装一个不合适的滤波器后，可能会增加发射强度和/或使敏感性变得更糟。

图2 典型的单级电源线滤波器

　　图3所示的两级或更多级的滤波器，可以使内部接点保持在相对稳定的阻抗上，因此对负载及源的阻抗依赖不是很大，可以提供接近50/50指标的性能。当然，这些滤波器体积更大，价格更高。

图3 典型的两级电源线滤波器

　　　大多数电源线滤波器采用共模扼流圈和连接在相线间的X电容处理差模干扰。如果滤波器用于解决开关电源、相位角功率控制器、马达驱动器等电路产生的低频高强度干扰问题，则通常需要比X电容所能提供的差模衰减更大的衰减，这时需要采用如图4所示的差模扼流圈。由于磁芯会发生饱和现象，所以很难以较小的体积获得较大的电感量。这些滤波器一般体积比较大而且也比较昂贵。

图4 开关电源转换器上使用的典型滤波器

大多数电源线滤波器采用Y型电容，这些电容连接在相线与地线之间。为了不超过相关安全标准限定的地线允许泄漏值，这些电容的值大约在几nF左右。一般地，Y电容应连接到噪声干扰较大的导线上（例如，仪表灵敏模拟电路中的电源线，开关电源中的整流器等）。
　　对于医疗设备，特别是与病人身体接触的，要求地线泄漏电流值相当低，因此使用任意一种Y型电容都是不行的。这时采用的滤波器需要更大的电感和/或采用多级级联，因此体积较大，价格较高。（最好是在设备与病人相连的那一端采用电池供电,仅通过光耦或光纤与交流电源供电的设备相连。）
　　在较大的系统里，来自大量Y型小电容的地线泄漏会产生很大的地线电流，这样就会产生地线电压差，从而导致不同设备间的互连电缆上产生“嗡嗡”的交流声和瞬态高电平。现代最佳解决方案是采用等势三维地线搭接，但许多陈旧的设施中不能实现这一点。因此，决定用在大系统里的设备应使用Y电容很小或根本没有Y电容的滤波器。
　

电源滤波器高频插入损耗的重要性

许多人认为，既然传导发射极限值的频率上限30MHz，那么就没有必要对滤波器的高频衰减提出要求。这是一个误解，也正是存在这种错误的概念让许多人在使设备满足电磁兼容标准的过程中走了很长弯路，浪费了大量的时间和经费。

由于设备上的电缆是高效的辐射天线，当电缆上有高频传导电流时，会产生强烈的辐射，使设备不能满足辐射发射极限值的要求。因此，当电源线上有高频干扰电流时，同样也会产生辐射，使设备的辐射发射超标。对于一个没有电磁兼容经验的人来说，这个问题是很难发现的，根本想不到会是电源线的问题。

特别是设备的电源线传导发射已经满足了标准要求时，它绝想不到应再次检查电源线是否有问题，所以，电源滤波器的高频特性是十分重要的。北京欧吉电子科技有限公司生产的高性能电源滤波器，器件选用考究，采用新型隔离技术，使电源滤波器的有效滤波范围拓宽到30MHz以上，保证了产品在传导发射测试频率（30MHz以上）仍能正常工作，使产品顺利通过电磁兼容标准中的辐射发射试验。
    特别提示：当设备的辐射发射不合格时，别忘记检查电源线的共模传导发射，很多场合辐射发射的超标时由于电源线上的共模电流造成的。

　　                           滤波器的结构和安装
　　如果欲在高频获得极佳的滤波性能，那么滤波器很容易由于其PCB走线和/或滤波与未滤波分界面上导线的射频泄漏而使其性能发生降级。许多工程技术人员对滤波器周围的射频泄漏疑惑不解，滤波和未滤波走线及导线必须尽可能地彼此远离，而且没有其他走线或导线穿过附近滤波/未滤波的边界线，通常，对滤波器未滤干净的残余泄漏采用屏蔽技术是非常必要的。 
　　如果外部电缆滤波后进入具有地平面的PCB板或用作射频地的一个工业仪表面板，滤波器应安装在电缆进出PCB板或仪表面板的位置上，并且要直接连接到射频地线上。
　　如果外部电缆经滤波后进入屏蔽机柜，滤波器应安装在机柜的壁上，并且要在安装孔的周围一周与柜壁进行导电连接。这时选用隔离式滤波器是最好的选择，北京欧吉电子科技有限公司研制的高性能馈通滤波器，滤波阵列板，滤波连接器都能很好的解决这些问题。
　　就电源线滤波器来说，面板安装的滤波器通常采用IEC插座。将这种金属外壳的带IEC插座的滤波器安装在屏蔽体上，并且按图5所示的办法将它四周电气连接到屏蔽金属件上，可在数十兆赫兹的频率范围内获得较好的性能。

图5屏蔽体上电源线滤波器的安装方法

　　在大功率场合中，多数电源线滤波器采用螺钉接线方式，从而使隔离板安装不可能。图5表明镙钉安装的滤波器采用“脏盒”方法，同时用一个外层屏蔽盒将其封装在一个屏蔽的“脏盒”内。即使脏盒中的输入和输出电缆很短而且彼此远离，高频仍然可以泄漏出去，因此需要对某一条电缆或所有电缆套装EMI吸收磁环来解决。

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