电磁干扰滤波器

工程电磁兼容ElectroMagneticCompatibility2第六章滤波一、电磁干扰滤波器滤波技术是抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要辅助措施。滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将无用的骚扰滤除。滤波器的作用是允许工作信号通过，而对非工作信号（电磁骚扰）有很大的衰减作用，使产生干扰的机会减为最小。电磁干扰（EMI）滤波器属于低通滤波器，包括电源线滤波器、信号线滤波器等。滤波的目的使将电磁骚扰减小到一定程度，使传出设备的骚扰值不超过给定的规范值，使传入设备的骚扰不致于引起设备的性能降低或失灵。3第六章滤波一、电磁干扰滤波器1.EMI滤波器的工作原理EMI滤波器的工作原理与普通滤波器一样，它能允许有用信号的频率分量通过，同时又阻止其他干扰频率分量通过。其工作方式有两种：另一种是不让无用信号通过，并把它们反射回信号源，并且必须在系统其他地方消耗掉。一种是把无用信号能量在滤波器里消耗掉。这种滤波器中含有损耗性器件，如电阻或铁氧体等；EMI滤波器的工作原理与普通滤波器一样，它能允许有用信号的频率分量通过，同时又阻止其他干扰频率分量通过。其工作方式有两种：4第六章滤波一、电磁干扰滤波器2.EMI滤波器的特点干扰滤波器往往工作在阻抗不匹配的条件下，干扰源的阻抗特性变化范围很宽，其阻抗通常是整个频段的函数。由于经济和技术上原因，不可能设计出全频段匹配的干扰滤波器。干扰源的电平变化幅度大，有可能使干扰滤波器出现饱和效应。由于电磁干扰频带范围很宽（20Hz到几十GHz），其高频特性非常复杂，难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路的高频特性。干扰滤波器在阻带内应对干扰有足够的衰减量，而对有用信号的损耗应降低到最小限度，以保证有用电磁能量的最大传输效率。5第六章滤波一、电磁干扰滤波器2.EMI滤波器的特点电缆上的干扰按照干扰电流的流动路径分为共模干扰和差模干扰两种。EMI滤波器应该对这两种干扰都有抑制作用。电子设备差模干扰电流共模干扰电流共模干扰•是指干扰电流在电缆中的所有导线上幅度/相位相同，其电流是在电缆与大地之间形成的回路中流动。6第六章滤波一、电磁干扰滤波器2.EMI滤波器的特点差模干扰•是指干扰电流在信号线与信号地线之间流动的干扰。共模干扰•共模干扰一般由外界电磁场在电缆中感应出来，或由于电缆两端的设备所接的地电位不同所致。电子设备差模干扰电流共模干扰电流•差模干扰主要是由于电缆中不同信号线之间的电容耦合和电感耦合所致。7第六章滤波一、电磁干扰滤波器3.EMI滤波器的插入损耗及频率特性描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，插入损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的定义是：)(lg2012dBUULin　　U1为信号源通过滤波器在负载阻抗上建立的电压（V）；式中，U2为不接滤波器时，信号源在同一负载阻抗上建立的电压（V）；Lin为插入损耗（dB）。频率特性是指插入损耗随频率变化的曲线称之为频率特性。)(lg2021dBUULin　　8第六章滤波一、电磁干扰滤波器3.EMI滤波器的插入损耗及频率特性频率特性是指插入损耗随频率变化的曲线称之为频率特性。按其频率特性，滤波器大体可分为4种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。0f衰减阻带通带fc（截止频率）（a）低通滤波器0f衰减阻带通带fc（截止频率）（b）高通滤波器0f衰减阻带通带fc2（c）带通滤波器阻带fc10f衰减通带阻带fc2（d）带阻滤波器通带fc19第六章滤波二、滤波器的分类及特征1.滤波器的分类根据滤波原理分反射式滤波器（reflectivefilter）吸收式滤波器（dissipativefilter）根据工作条件分有源滤波器（activefilter）无源滤波器（passivefilter）根据频率特性分低通滤波器（low-passfilter）高通滤波器（high-passfilter）带通滤波器（band-passfilter）带阻滤波器（band-rejectfilter）10第六章滤波二、滤波器的分类及特征1.滤波器的分类根据用途分信号选择滤波器电磁干扰滤波器根据使用场合分电源滤波器信号滤波器控制线滤波器防电磁脉冲滤波器印刷电路板专用微型滤波器防电磁信息泄漏专用滤波器11第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器反射式滤波器通常由电抗元件，如电感器和电容器组合而成（理想情况，这些元件是无损耗的），使在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，因而滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗，也就是对干扰电流建立一个高的串联阻抗和低的并联阻抗。I.定义：反射式滤波器是通过把不需要的频率成分的能量反射回信号源而达到抑制的目的。12第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器II.低通滤波器低通滤波器是电磁兼容技术中用的最多的一种滤波器，是用来控制高频电磁干扰的。（1）并联电容滤波器并联电熔滤波器是最简单的低通EMI滤波器，通常连接于携带干扰的导线与回路地线之间。它用来旁路高频能量，流通期望的低频能量或者信号电流。源RRC并联电容滤波器13第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器II.低通滤波器（1）并联电容滤波器其插入损耗为：源RRC并联电容滤波器)()(1lg(102dBfRCLin）理想电容实际电容插入损耗（dB）LCfR21RCfC1由于实际的电容器引线上存在电感，因此其衰减曲线是LC串联网络的衰减曲线。在某一点频率上会发生谐振（谐振频率fR），超过谐振点后，电容器呈现电感的阻抗特性，及频率越高，阻抗越大。14第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器II.低通滤波器（2）串联电感滤波器其插入损耗为：并联电容滤波器)()(1lg(102dBRfLLin）串联电感滤波器是低通滤波器的另一种简单形式，在其电路构成上，电感器与携带干扰的导线串联起来。源RRL15第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器II.低通滤波器（2）串联电感滤波器理想电感实际电感插入损耗（dB）LCfR21LRfC实际的电感绕组中总是存在电阻和电容的，因此实际电感可以等效为电感与电阻串联再与电容并联。电感与寄生电容会形成并联谐振，在谐振点阻抗非常大，因此滤波器的插入损耗非常大。在谐振点以上，电感的特性已经与电容相同，随着频率升高而降低。因此一般电感的高频滤波性能不是很好。也可以理论谐振点上阻抗很大的特性，对特定频率的干扰进行有效地抑制。16第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器II.低通滤波器（3）L型滤波器如果源阻抗与负载阻抗相等，L型滤波器的插入损耗与电容器插入线路的方向无关。当源阻抗不等于负载阻抗时，则电容器并接于更高的阻抗，通常可取得最大的插入损耗。源RRLC低的源阻抗高的负载阻抗源RRLC高的源阻抗低的负载阻抗（a）（b）对于L型滤波器，源阻抗等于负载阻抗时的插入损耗为：)(241lg10222dBCRRLLCLin17第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器II.低通滤波器（4）Π型滤波器其插入损耗为：源RRLCC)(221lg102222dBCRLCRRLLCLin（5）T型滤波器其插入损耗为：源RRLCL)(221lg1022222dBCRRCLRLLCLin18第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器III.高通滤波器高通滤波器主要用于从信号通道中排除交流电源频率以及其他低频外界干扰，高通滤波器的网络结构与低通滤波器的网络结构具有对称性，高同滤波器可以由低通滤波器转换而成。当把低通滤波器转换成具有相同终端和截止频率的高通滤波器时，其转换方法是：（1）把每个电感L（H）转换成数值为1/L（F）的电容C。（2）把每个电容C（F）转换成数值为1/C（H）的电感L。19源RR1500μH0.33μF0.33μF第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器III.高通滤波器转换实例：源RR1/1500μF1/0.33μH1/0.33μH20第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器IV.带通滤波器与带阻滤波器带通滤波器是对通带之外的高频及低频干扰能量进行衰减，其基本构成方法是由低通滤波器经过转换而称为带通滤波器。L1L1C1C1C2L2带通滤波器电路图21第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器IV.带通滤波器与带阻滤波器带阻滤波器是对特定的窄带内的干扰能量进行抑制，带阻滤波器通常是串联于干扰源与干扰对象之间，也可以将一带通滤波器并接于干扰线与地之间来达到带阻滤波的作用。C2L2LC带阻滤波器L1C1L1C1C3RC带阻滤波器C1C2R1R2R322第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器V.有源滤波器无源元件制造的电磁干扰滤波器有时庞大而笨重，使用晶体管的有源滤波器可以不需要过大的体积和重量就能提供较大值的等效L和C。对低频低阻抗电源电路用有源滤波器更为合适。（1）有源电感滤波器模拟电感线圈的频率特性，给干扰信号一个高阻抗电路，称作有源电感滤波器。直流电干扰电流Z0有源电感Z023第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器V.有源滤波器（1）有源电感滤波器直流电干扰电流Z0有源电感Z024第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器V.有源滤波器（2）有源电容滤波器模拟电容器的频率特性，将干扰信号短路，称作有源电容滤波器。直流电Z0干扰电流有源电容Z0（3）对消滤波器一种能产生与干扰电源幅值同样大小、方向相反的电流，通过高增益反馈电路将电磁干扰对消掉的电路称作对消滤波器。25第六章滤波二、滤波器的分类及特征2.反射式滤波器V.有源滤波器（3）对消滤波器Z0干扰电流陷波滤波器频率（Hz）接入损耗（dB）26第六章滤波二、滤波器的分类及特征3.吸收式滤波器吸收式滤波器是由有耗元件构成的，它通过吸收不需要频率成分的能量（转化为热能）来达到抑制干扰之目的。尽管一些滤波器的输入输出阻抗可指望在一个相当宽的频率范围内与制定的源和负载阻抗相匹配，但在实际中这种匹配情况往往不存在。正因为存在这种失配，所以很多时候当把一个滤波器插入传输干扰的线路时，实际上线路上将形成干扰电压的增加而不是减小。这个缺陷存在于所有低损耗元件构成的滤波器中。这正是反射滤波器的缺点。当滤波器与源阻抗不匹配时，一部分有用能量将被反射回能源，这将导致干扰电平的增加而不是减小，因而促使了吸收滤波器的产生，即用吸收滤波器来抑制不需要的能量（使之转化为热耗）。27第六章滤波二、滤波器的分类及特征3.吸收式滤波器I.有损耗滤波器•为了消除LC型低通滤波器的频率谐振和要求终端负载阻抗匹配的弊端，使电磁干扰滤波器能在较宽的频率范围里具有较大的衰减。人们根据介电损耗和磁损耗原理研究出一种损耗滤波器。•其工作原理是选用高损耗系数或高损耗角正切的电介质，把高频电磁能量转换成热能。•有损耗滤波器通常做成具有媒质填充和涂覆的传输线形式，媒质材料可以是铁氧体材料或其他的损耗材料。28第六章滤波二、滤波器的分类及特征3.吸收式滤波器II.电缆滤波器•电缆滤波器是将铁氧体材料填充在电缆里制成的滤波器。例如，将铁氧体材料填充在同轴线内外导体间，可以构成有耗同轴电缆。其特点是体积小，具有理想的高频衰减特性，只需较短的一段有耗电缆就可以获得预期的滤波效果。29第六章滤波二、滤波器的分类及特征3.吸收式滤波器III.组合滤波器•组合滤波器是将吸收式滤波器与反射式滤波器串联起来组合使用，可以达到更好的滤波效果。按此方法构成的滤波器，既有陡峭的平率特性，又有很高的阻态衰减。例如，在低通反射式滤波器前面接入一小段同轴线，