一 : 几种常用的抗干扰滤波器件介绍
几种常用的抗干扰滤波器件介绍
2009-10-20 11:19:00 【文章字体：大 中 小】 推荐 收藏 打印
北京科力亚特电子有限公司 李 华
伴随电子技术的高速发展，电磁环境日益恶化，大量的电子设备在这种电磁环境中很难正常工作。另一方面，电子设备的迅速增加，又进一步导致电磁环境的恶化。因此，现代电子产品设计技术中，如何选用干扰抑制滤波器件，是我们每一位电子产品设计人员必须面对的问题，本文对此进行了详细的阐述。
1. 穿心电容器 - 馈通滤波器
馈通滤波器常用于移动通讯设备、雷达导航等一些高频处理模块中，与屏蔽结构体配合，处理输入或输出的低频信号，是其他形式的电容器不能替代的产品。现在电子线路的工作频率和周围环境中的电磁干扰频率越来越高，将滤波器安装在线路板上所暴露出的高频滤波不足的问题比较突出。要想在UHF或更高的频段获得更好的滤波效果，特别是保护屏蔽体不被穿透时，必须使用馈通型滤波器解决。馈通型滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出，因此滤波器具有非常好的高频滤波效果。馈通滤波器的电路结构分为C 型（穿心电容）、L 形（一个穿心电容加一个电感）、T 形（两个电感加一个穿心电容）、π 形（两个穿心电容加一个电感）等；滤波器的器件越多，则滤波器的过渡带越短，阻带的插入损耗越大。其中C 型馈通滤波器一般成为穿心电容器。
图1 穿心电容
任何有引线的电容器的滤波效果都会受到接地电感的限制。如图1 所示，通过将电容器外表面直接用螺纹或焊接的方式接到金属屏蔽体或面板上构成电容器的接地。由于地电流分散在中心导体周围360°的范围内，实际上不存在引线电感，电容可以在很高的频率范围内保持良好的性能。
馈通滤波器的使用方法有以下三种：
1）安装在屏蔽体（屏蔽盒、屏蔽机箱等）的面板上。这是最基本的使用方法，当有导线要穿过屏蔽体时，就需要在屏蔽体的面板上安装馈通滤波器，使导线通过馈通滤波器穿过屏蔽体。
2）安装在线路板的地线层上，可以利用线路板的地线层做隔离层和接地层。
3）安装在电路之间的隔离板上。
当条件不具备，馈通滤波器不能安装在屏蔽体面板或地线面上时，安装在金属隔板上也具有普通电容（包括三端电容）不可比拟的高频滤波作用。
馈通滤波器有焊接式安装和螺纹安装两种。焊接式安装的优点是节省空间，滤波性能可靠。但在将滤波器焊接到面板上时，由于面板的热容量远大于滤波器的热容量，因此焊接的局部温度有可能达到很高，容易造成馈通滤波器损坏。焊接时要注意控制焊接的时间和温度。螺纹安装方式简单易行，可以在面板上打通孔，用螺母将馈通滤波器拧紧；也可以直接在面板上打带螺纹的孔，将馈通滤波器直接拧在箱体或面板上。安装时要注意两点，一是扭矩不能太大，馈通滤波器虽然从外表上看与螺钉一样坚固，但是由于内部时空心的，扭矩过大会造成损坏。二是在安装时要套上锯齿垫片，这样可以保持良好的接触。
在选用馈通滤波器电路形式时，一般依据下列情况：
1) 对干扰的衰减量：滤波器的器件数量越多，一般对干扰信号的衰减越大。
2) 有用信号与干扰信号在频率上的差别：有用信号与干扰信号的频率相差越小，需要滤波器的器件数量越多。
3) 使用滤波器的电路的阻抗：一个基本的原则是，滤波器中的电容对着高阻抗电路，电感对着低阻抗电路。这里的所谓高低，可以50Ω 为参考。
图2 EMI 抑制铁氧体 图3 铁氧体随频率变化的阻抗分量
2.EMI 抑制铁氧体利用铁氧体（图2 所示）在高频电磁场中的损耗很大，对干扰能量有较强吸收作用的特点，这种材料广泛应用于电子设备的干扰抑制方面。由于铁氧体对高频波的吸收作用（不是反射），可以降低电路中电感抑制电路的Q 值，减小信号谐振问题。EMI 抑
制铁氧体与在低频或电源中使用的损耗小的电感材料特性正好相反。图3 显示了在高频时电阻分量是如何对阻抗特性起决定作用的。
图4 铁氧体的使用
将一个铁氧体磁环套在导线或电缆上就构成了一介简单、经济、便于安装的滤波器，如图4 所示。铁氧体的作用是将导线周围的磁场集中起来，从而使导线的电感增加数百倍。铁氧体扼流圈的最大好处是它既不需要重新设计电路，也不需要重新设计结构，因此在设备的改进中广泛应用。生产厂家提供需多种不同内径规格的分体式铁氧体，一般内径从5mm ～ 13mm 不等。当信号线和回流线同时穿过铁氧体时，铁氧体对信号（差
模）没有影响，但会增加共模电流的阻抗。铁氧体的效果可以通过将电缆在铁氧体上多绕几圈或多用几个铁氧体来加强。但增加匝数的改进效果受到寄生电容的限制。
铁氧体的效果随着频率的升高而增加。铁氧体扼流圈的阻抗在10MHz 处通常为几十欧姆，当频率超过100MHz 时，阻抗升高到数百欧姆（具体值取决于形状和尺寸，铁氧体体积越大，阻抗越大）。不同厂家的产品或同一厂家的不同种类的铁氧体，其阻抗随频率的变化都有所不同。图5 是尺寸相同（外径为5mm，长度为11mm）但材料不同的两种铁氧体的特性。
由于铁氧体扼流圈只不过是一个高损耗的电感，因此它只在低阻抗电路中才有作用。在高阻抗电路中使用，其效果很差甚至没有效果。大部分电路，特别是电缆，其阻抗随频率的变化很复杂，并且通常在10 ～ 1,000Ω 范围内。因此单个铁氧体所提供的衰减很有限，一般在10dB 左右，很少超过20dB。铁氧体扼流圈对于降低静电放电电流脉冲的快速上升率别有效，这种静电放电干扰可能会感应进内部电缆。瞬态参量会被铁氧体所吸收，而不是分流或反射到系统的其它部位。
图5 两种不同材质的铁氧体特性
要充分发挥铁氧体的性能，下面一些注意事项十分重要：
1) 铁氧体磁环（磁珠）的效果与电路阻抗有关：电路的阻抗越低，则铁氧体磁环或磁珠的滤波效果越好。因此，在一般铁氧体材料的产品手册中，并不给出铁氧体材料的插入损耗，而是给出铁氧体材料的阻抗，铁氧体材料的阻抗越大，滤波效果也越好。
2) 电流的影响：当穿过铁氧体的导线中流过较大的电流时，滤波器的低频插入损耗会变小，高频插入损耗变化不大。要避免这种情况发生，在电源线上使用时，可以将电源线与电源回流线同时穿过铁氧体。
3) 铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，高频的阻抗越小。
4) 铁氧体磁环的尺寸确定：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在铁氧体磁环内径包紧导线的前提下，尽量使用体积较大的磁环。
5) 共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。
6) 电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为寄生电容增加的缘故。
7) 铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。与电容式滤波连接器一起使用效果更好：由于铁氧体磁环的效果取决于电路的阻抗，电路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了电容式滤波连接器时，其阻抗很低，磁环的效果更明显。
二 : EMI滤波器设计中的干扰特性和阻抗特性
随着电子技术的发展，电磁兼容性问题成为电路设计工程师极为关注和棘手的问题。［www.61k.com) 根据多年的工程经验，大家普遍认为电磁兼容性标准中最重要的也是最难解决的两个项目就是传导发射和辐射发射。为了满足传导发射限制的要求，通常使用电磁干扰（EMI）滤波器来抑制电子产品产生的传导噪声。但是怎么选择一个现有的滤波器或者设计一个能满足需要的滤波器？工程师表现得很盲目，只有凭借经验作尝试。首先根据经验使用一个滤波器，如果不能满足要求再重新修改设计或者换另一个新的滤波器。因此，要找到一个合适的EMI滤波器就成为一个费时且高成本的任务。
电子系统产生的干扰特性
解决问题首先要了解电子系统产生的总干扰情况，需要抑制多少干扰电压才能满足标准要求？共模干扰是多少，差模干扰是多少？只有明确了这些干扰特性我们才能根据实际的需要提出要求。
从被测物体的电流路径来看，干扰信号回流路径可能通过地线，或者通过其它电网，如图1所示。通过地线的干扰电流在电源网上产生同相位的共模干扰电压。通过其它线在两根电源线上产生反相的差模干扰电压。干扰电流的路径如图2所示。
图1 干扰信号的回流路径
图2 a）差模干扰滤波和b）共模干扰滤波
通常有四种技术可进行电源滤波，以便抑制干扰噪声。在实际使用中，经常是混合使用其中的两种，甚至多种技术。它们是：
正负极电源线之间添加电容，即X电容；
每根电源线和地线之间添加电容，即Y电容；
共模抑制（两根电源线上的抑制线圈同向绕线）；
差模抑制（每根电源线有它自己的抑制线圈）。
电容的作用是将高频干扰电压“短路”，另外，当干扰信号频率很高时，抑制线圈将产生很大的交流阻抗。图2显示了两种滤波类型的结构，其中，LISN是用于测量目的的线性阻抗稳定网络。如果是共模问题引起的干扰，Ｘ类型电容基本上没有作用，因为两线上的干扰电压是一样的。因此，了解干扰类型对于选择合理的电路结构将起重要作用，并为解决问题提供技术依据。
在标准电磁兼容性测试实验室可得到设备的总干扰情况，但无法了解设备的共模干扰和差模干扰特性。为了在测量中分辨共模或者差模干扰信号，通用的仪器是很难实现的。使用专用的传导测试仪，可获得设备的总干扰、共模干扰和差模干扰。测试结果如图3所示。
图3 传统测试仪获得的总干扰、共模干扰和差模干扰
电源输入阻抗特性
滤波器的制造商给出的滤波器插损是在50W标准阻抗系统中的性能。众所周知，电源的输入阻抗随着频率的变化具有不连续性。阻抗的改变导致滤波器的插损特性产生很大的变化。
由图4可见，在一个50W的系统中，100mH的滤波器提供约18dB的衰减，但是在一个500W系统中只提供约4dB的衰减。 同样对于100nF电容器；在50W系统中，1MHz时大约23dB的衰减在5W系统中降至7dB。
上面的例子说明，选择一个具有很高插损的滤波器也不能很好抑制传导噪声的原因是，电源输入端阻抗的影响。因此，设计者除了选择一个合适的滤波器之外，还需要了解电源的阻抗特性、共模阻抗和差模阻抗。阻抗测试可以借助专用的阻抗测试仪或者传导分析仪。一种滤波器的共模阻抗（a）和差模阻抗（b）的变化如图5所示。
图4 a）100uh电感的衰减 b）100nF电容器的衰减
图5 a）共模阻抗和b）差模阻抗的变化
滤波器的设计
知道设备的干扰特性和输入阻抗特性后，设计或者选择一个滤波器就变得简单了。如果使用一个现成的滤波器，可以调用过去积累的滤波器数据库，比对滤波器参数，找到一个合适的滤波器。如果没有合适的或者想专门设计一个专用滤波器，可以借助专用的滤波器设计软件。在确定一个滤波器模式后输入滤波器一些简单的约束条件，设计软件根据阻抗特性自动计算出最合适的组件值，以及提供最合适的衰减。（如图6所示）
图6 一种由软件设计的最佳滤波器
设计结果
在对某产品进行了干扰特性和阻抗特性测试后，需要解决一个低于5MHz的低频干扰问题。专用滤波器设计软件结合前面得到的测试数据给出了滤波器的元件参数：包括470nF的X电容器，2.2nF的Y电容器和15.1mH的共模电感。但是有经验的滤波器设计人员认为采用一个13.5mH共模电感的滤波器是足够了。使用一个13.5mH包括额外高频组件的滤波器的发射情况如图7所示。
图7 最小15mH的系统使用和18mH时的测试结果
扩展：滤波器特性阻抗 / emi滤波器 / 电源emi滤波器
为了验证软件的设计数据，将470nF、2.2nF和18mH的非定制的滤波器迅速连接到系统中，获得中心频率小于5MHz，并且无需高频滤波器。结果清楚地表明，最小15mH的限制是合适的。
结语
EMI滤波器的设计应该充分考虑干扰特性和阻抗特性，在阻抗测试和干扰特性测试数据基础上进行设计是精确滤波设计的唯一方法。
扩展：滤波器特性阻抗 / emi滤波器 / 电源emi滤波器
三 : 干扰滤波技术
抗干扰滤波器 干扰滤波技术
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