《电子产品电磁兼容和安规设计》第4章PPT课件

《电子产品电磁兼容和安规设计》《电子产品电磁兼容和安规设计》《电子产品电磁兼容和安规设计》第4章滤波技术电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程中的一个非常重要的环节。有时候设计的滤波器性能如何会决定整个电器设备是否能够正常工作。但因为电磁兼容滤波器的设计涉及的知识面非常广，设计出一个性能较好的滤波器并不是一件容易的事情。干扰的分类按噪声产生的原因分类放电噪声主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产生的噪声。高频振荡噪声主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直流—交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。浪涌噪声主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的噪声。这些干扰对微机测控系统都有严重影响，必须认真对待，而其中尤以各类开关通、断电时所产生的干扰最难以抑制或消除。按噪声传导模式分类对于传导噪声，按其传导模式分为差模噪声和共模噪声。差模噪声又称线间感应噪声或对称噪声。有些书中也称其为串模噪声或常模噪声、横向噪声等。如下图所示，噪声往返于两条线路间，N为噪声源，R为受扰设备，UN为噪声电压，噪声电流IN和信号电流IS的路径在往返两条线上是一致的。差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和信号地线构成的回路中感应出的。由于电缆中的信号线与其地线靠得很近，因此形成的环路面积很小，所以外界电磁场感应的差模电流一般不会很大。在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其他电器的电源发射出的(特别是开关电源)和感性负载通断时产生的(其幅度往往很大)。差模干扰电流都会直接影响设备的工作，并且，这种噪声难以除掉。共模噪声又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。如下图所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。形成这种干扰电流的原因有3个，一个是外界电磁场在电缆中的所有导线上感应出来电压(这个电压相对于大地是等幅同相的)，这个电压产生电流；另一个原因是由于电缆两端的设备所接的地电位不同所致，在这个地电压的驱动下产生电流；第三个原因是设备上的电缆与大地之间有电位差，这样电缆上会有共模电流。从定义容易理解：共模电流本身并不会对电路产生影响，只有当共模电流转变为差模电流(电压)时，才会对电路产生影响，这种情况发生在电路不平衡的情况下。另外，如果设备在其电缆上产生共模电流，则电缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他设备造成干扰。共模噪声转化成差模噪声从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于线路的不平衡状态，共模噪声会转化成差模噪声。可用下图来说明共模噪声转化成差模噪声的原理。在上图中，N为噪声源，L为负载，Z1和Z2是导线1和导线2的对地阻抗。如果Z1=Z2，则噪声电压VN1和噪声电压VN2相等，从而噪声电流IN1和IN2相等，即噪声电流不流过负载。然而当Z1≠Z2时，则VN1≠VN2，从而IN1≠IN2，于是VN1-VN2=VN，VN/ZL＝IN(ZL为负载阻抗)，这是常模噪声。因此，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于线路不平衡状态而从共模噪声转化来的。通常，输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地和隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕共模噪声来研究其有效的抑制措施。按噪声波形及性质分类持续正弦波持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，是一种典型的周期噪声。最常见的该类噪声就是50Hz的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为纹波，出现在声音信号中，表现为惹人烦的交流声，出现在视频影像信号中，为横条干扰。偶发脉冲电压波形这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽度以及能量等特征值表示。例如雷击波、接点分断电压负载和静电放电等波形。该类噪声周期性不明显，在通信信号中，容易引起突发误码。脉冲列脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉冲宽度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点分断电感负载和接电反复重燃过电压等。该类噪声呈现一定的周期性，能量较大，一般较难消除。噪声中的主要能量是由干扰引起的。消除有用信号中的噪声，从根本上来说，就是要消除或降低干扰对电路的影响。我们可以针对不同的噪声类型，设计或选用不同的防干扰滤波器。4.1电磁干扰滤波器4.1.1电磁干扰滤波器的工作原理电磁干扰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。其方式有两种：一种是不让无用信号通过，并把它们反射回信号源；另一种是把无用信号在滤波器里消耗掉。4.1.2电磁干扰滤波器的特殊性由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信号的通过，所以它与常规滤波器有很大的不同。(1)电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、安装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单等优点。(2)电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗要小，以保证最大传输效率。(3)由于电磁干扰的频率是20Hz到几十GHz，故难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路。(4)要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比较高的衰减性能。(5)干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干扰滤波器出现饱和效应。(6)电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范围大，很难得到使用稳定的恒定值，所以电磁干扰滤波器很难工作在阻抗匹配的条件下。4.1.3滤波器的主要特性滤波器最主要的特性参数有额定电压、额定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频率特性等。•额定电压指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器的电压过高，会使内部电容损坏。•额定电流指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器所允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高其允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率有关：工作频率越高，其允许电流越小。•频率特性滤波器的频率特性是描述其抑制干扰能力的参数，通常用中心频率、截止频率以及上升和下降斜率表示。•输入输出阻抗从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。选择滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。•插入损耗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:式中：V1---信号源通过滤波器在负载阻抗上建立的电压(V)；V2---不接滤波器时信号源在同一负载阻抗上建立的电压(V)；Lin---插入损耗(dB)。21lg20VVLin•传输频率特性滤波器最重要的是其传输频率特性，可用对数幅频特性20lgA来表示。在抗干扰技术中又称为衰减系数，即:衰减系数=(单位dB)式中：——滤波器的输出信号，——滤波器的输入信号，——信号的角频率。)()(lg20jUjUiooUiU4.2滤波器的分类按滤波器的作用对象分类根据滤波器的作用对象可以分为电源滤波器和信号滤波器，按照对不需要的信号能量的抑制方式分类按照对不需要的信号能量的抑制方式分类又可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。4.2.1反射式滤波器带阻滤波器带阻滤波器是指用于对特定窄频带(在此频带内可能产生电磁干扰)内的能量进行衰减的一种滤波器。其频率特性如下图所示，其中ωC1和ωC2为截止频率。带阻滤波器是用作串联在负载和干扰源之间的抑制器件。带通滤波器带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是指作用于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器。带通滤波器是并接于干扰线和地之间，以消除电磁干扰信号，达到兼容的目的。其频率特性如下图所示，其中ωC1和ωC2为截止频率。它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通信信号通过。高通滤波器在降低电磁干扰上，高通滤波器虽不如低通滤波器应用广泛，但也有用途。特别是这种滤波器一直被用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制特定的低频外界信号。设计高通滤波器时，均采用倒转方法，凡满足倒转原则的低通滤波器可以很方便地变成所需要的高通滤波器。倒转原则就是将低通滤波器的每一个线圈换成一个电容器，而每一个电容器换成一个线圈，就可变成高通滤波器。高通滤波器用在干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。它的频率特性如下图所示，其中ωC为截止频率。低通滤波器它是最常用的一种电磁兼容滤波器，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。电源线滤波器也是低通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对其他高频干扰信号有很大的衰减。低通滤波器的频率特性如下图所示，其中ωC为截止频率。1.低通滤波器常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在滤波器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。按照电路结构分，有单电容型(C型)、单电感型(L型)、Γ型和反Γ型、T型和Π型。不同结构的滤波电路主要有两点不同：(1)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。(2)不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。电容滤波器电容C的电抗与频率有关。若设输入量为电流Ic(S)，输出为电压如下图所示，则传递函数为：频率特性为：)(oSUCSSISUSA1)()()(CoCjjIjUjA1)()()(Co对数幅频特性为：显然，随着频率=滤波器的输出电压衰减逐渐增加，起到了低通滤波效果。其输入输出特性如下图(d)所示。滤波器的电容要有耐压高、绝缘好、温度系数小和自谐振频率高等特性。CCAlg201lg20)(lg20fπ2滤波器的电容要有耐压高、绝缘好、温度系数小和自谐振频率高等特性。下图(a)所示的滤波器结构最简单，接在干扰源线间能衰减串模噪声；接在干扰源和地线间能衰减共模噪声；接在印刷电路板中的直流电源线和地线间能抑制电源噪声。下图(b)中电容中点接地，能够把噪声电流旁路入地，能消除共模噪声。下图(c)中的C3接在电源线间，这种结构能有效地抑制共模(由C1、C2完成)和串模噪声(由C3完成)。电感滤波器电感L的电抗与频率有关。若设输入量为电流输出为电压，且与电流变化率方向相反，如下图(a)所示。则传递函数为频率特性为对数幅频特性为)(LSI)(LSULSSISUSA)()()(LLLjjIjUjA)()()(LLLAlg20)(lg20显然，随着频率，电感线圈两端电压将增加。由于电感串联在线路中，因此滤波器的输出将衰减，起到了滤波的效果。电感滤波器的输入输出特性如下图(b)所示。滤波器中的电感器件应在负载电流情况下具有不饱和、温度系数小和直流电阻低等性质。为了避免负载电流使电感产生饱和，可选用共模扼流圈或不易饱和的磁芯线圈。电感线圈有两种，即常模扼流圈和共模扼流圈。fπ2LULioUUURC低通滤波器低通滤波器接在电路中，按其结构可分为L形、п形和T形，如下图所示。它具有滤去高频，而让低频信号容易通过的性能。L形RC低通滤波器L形RC低通滤波器如下图(a)所示。其传递函数为：其频率特性为：如果令则有其中，称为上限截止频率。当时，输出电压几乎与输入电压相等；在时，则大SRCSCRSCSA1111)(1)(1)(11)(2RCARCjjA；RCfπ21h21()1(/)hAffhffhffhf有衰减，即每提高10倍，将下降20dB。п形RC低通滤波器п形RC低通滤波器如下图(b)所示。f)(A其传递函数为：由此可以看出，п形与L形有相同的衰减系数。实际上，由于信号源不可避免含有内阻，当п形滤波器和信号源连接后，相当于两级L形滤波器串联，对滤波特性将有很大改善。T形RC低通滤波器T形RC低通滤波器结构如下图(c)所示。11)()1()(1)()()(iOSRCSISCRSISCSUSUSA为了求其传递函数，可根据电工学中星形三角形变换公式，如下图所