电磁兼容滤波器设计.ppt

第4章 电磁兼容滤波器设计,按噪声产生的原因分类1、放电噪声：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2、高频振荡噪声：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3、浪涌噪声：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,干扰的分类,按噪声波形及性质分类1、持续正弦波:典型的周期噪声，最常见的是50Hz的工频噪声2、偶发脉冲电压波形：雷击波、静电放电3、脉冲序列：有一定的周期性,按噪声传导模式分类,N,R,1、差模噪声,2、共模噪声,N,R,相互抵消,相互叠加,3、平行双导线的差模电流和共模电流对辐射发射的相对影响,某带状传输线，从30MHz到80MHz，20mA的差模电流产生的辐射发射相当于8A的共模电流产生的辐射发射。因此，共模电流产生辐射发射的潜能要比差模电流大得多。,4、差模电流发射模型,假设：把每根导线看成一个赫兹偶极子物理上，导体的长度足够短，测试点足够远；导体上电流的分布（幅度和相位）是均匀的。,将差模电流的表达式代入辐射远区场公式，整理可得：,减小某一特定频率的差模电流产生的辐射场,减小电流值减小环路面积,环面积,环面积,5、共模电流发射模型,减小某一特定频率的共模电流产生的辐射场,减小电流值减小导线长度,6、共模噪声转化成差模噪声,电磁干扰滤波器,防护传导干扰的主要措施，解决辐射干扰的重要武器,滤波器的主要特性1、额定电压：最高允许电压值2、额定电流：最大连续工作电流3、频率特性：中心频率、截止频率、上升和下降斜率4、输入输出阻抗：考虑阻抗匹配5、插入损耗：信号源通过滤波器在负载阻抗上建立的电压同不接滤波器时信号源在同一负载阻抗上建立的电压的比值6、传输频率特性：也称衰减系数，是滤波器输出信号同输入信号的比值,按滤波器的作用对象分类1、电源滤波器：是一种低通滤波器，它毫无衰减地把直流或50Hz和400Hz等低频电源功率传送到设备上，却大大衰减经电源传入的骚扰信号，保护设备免受其害；同时又能大大抑制设备本身产生的骚扰信号，防止它进入电源，污染电磁环境，危害其他设备2、信号滤波器：安装在信号线上，要考虑滤波器不能对工作信号有严重的影响，不能造成信号的失真,信号滤波器,电源滤波器,按照对不需要的信号能量的抑制方式分类1、反射式滤波器：能阻止无用信号通过，把它们发射回信号源带阻滤波器、带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器等,2、吸收式滤波器：把不希望的信号吸收掉有损耗滤波器：选用具有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，如铁氧体一类物质制成的柔软的磁管有源滤波器：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。电缆滤波器：包在载流线上，增加正常的集肤效应，提高对高频干扰的吸收作用,反射式滤波器,带阻滤波器：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，用作串联在负载和干扰源之间的抑制器件带通滤波器：指作用于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器，并接于干扰线和地之间，以消除电磁干扰信号高通滤波器：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低通滤波器：用于干扰信号频率比工作信号频率高的场合,低通滤波器分类,电容滤波器：(a)结构最简单，接在干扰源间能衰减差模噪声；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(b)电容中点接地，能够把噪声电流旁路入地，能消除共模噪声(c)C3接在电源线间，能有效抑制共模噪声（由C1、C2完成）和差模噪声（由C3完成）,入,出,入,出,入,出,(a),(b),(c),电感滤波器(a)常用结构，串接在线路中对高频噪声有很大的阻抗，可以抑制高频噪声电流(b)共模轭流圈：出现差模噪声时，因磁通抵消基本不起电感作用(c)共模轭流圈：出现共模噪声时，两个线圈所产生的磁通方向相同，使电感作用加倍，对线路与地线间的共模噪声起到很强的抑制作用,入,出,负载,负载,(a),(b),(c),RC低通滤波器(a)当信号频率远小于上限截止频率时，输出电压几乎与输入电压相等；反之，则大有衰减(b)同L型的衰减系数相同，实际上由于信号源不可避免含有内阻，当型滤波器和信号源连接后，相当于两级L型滤波器串联，对滤波特性有很大改善(c)同L型滤波器的滤波特性相同，实际上往往将T型滤波器用于负载阻抗小的情况，这比应用L型和型滤波器时的负载电流要小得多，减轻了信号源的负担,入,出,入,出,入,出,(a)L型,(b)型,(c)T型,LC低通滤波器(a)比RC低通滤波器有更好的滤波性能，但是制造电感线圈比较麻烦，不利于大规模生产，也不便于集成化和小型化(b)同L型的衰减系数相同，实际上由于信号源不可避免含有内阻，当型滤波器和信号源连接后，相当于L型RC滤波器和LC滤波器串联，有效地改善了滤波特性(c)同L型滤波器的滤波特性相同，实际上往往将T型滤波器用于负载阻抗小的情况，这比应用L型和型滤波器时的负载电流小，有效减轻了信号源的负担,入,出,入,出,入,出,(a)L型,(b)型,(c)T型,低通滤波器的结构选择,N,G,低通滤波器的平衡结构,低通滤波器的串联形式,为改善选频特性，可以实行级间串联，但级联之后，由于后级成为前级的负载，导致总的频率特性与单级不同当RC低通滤波器串联工作时，若后级的电阻是前级的m倍，其电容应减小为前级电容1/m，那么当频率超过截止频率时，一级滤波器衰减20dB/十倍频程，二级滤波器衰减40dB/十倍频程，三级滤波器衰减为60dB/十倍频程。级数越多，衰减系数也就越大还可以通过加大后级滤波器的输入阻抗来进行串联，实现高频带的衰减系数增加的目的，但同时也使直流增益大大降低，如可采用跟随器实现级间隔离，由于跟随器的输入阻抗无限大，级间的负载效应完全可以忽略，同时直流增益也没有降低。,常用滤波器元件电容器,实际电容器的等效电路电感分量由引线和电容结构所决定，电阻是介质材料所固有的,实际电容器的滤波特性,几点讨论电容的谐振频率由ESL和C共同决定，电容值或电感值越大，则谐振频率越低，即电容的高频滤波效果越差，ESL除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度是一个十分重要的参数，引线越长，电感越大，因此实际工程中，要使电容器的引线尽量短,谐振点还与电容值有关，电容越大，谐振点越低，电容越大对低频干扰的旁路效果虽然好，但由于电容在较低的频率发生了谐振，阻抗开始随频率的升高而增加，因此对高频噪声的旁路效果变差,尽管从滤除高频噪声的角度看，不希望有电容谐振，但是电容的谐振并不总是有害的，当要滤除的噪声频率确定时，可以通过调整电容的容量，使谐振点刚好落在骚扰频率上电磁兼容设计中使用的电容要求谐振频率尽量高，这样才能在较宽的频率范围内起到有效的滤波作用。一是尽量缩短引线的长度，另一个是选用电感较小的种类,温度和电压的影响,电容器的种类,按介质材料分类云母电容器（CY）:金属箔和云母片交叠而成纸介质电容器（CZ）：用两条长条形铝箔和两张条形绝缘纸交替叠好，卷成圆柱形，接出引线，经过浸腊等手续，封固而成陶瓷电容器（CC）：由特殊陶瓷制成，分低介电常数型、高介电常数型和半导体型塑料介质电容器（CB和CL）：用特殊塑料制成，如聚苯乙烯电容器（CB），涤纶电容器（CL）电解电容器（CD）：常见的有铝电解电容器和钽电解电容器，铝电解电容器外壳是一个金属圆筒，筒中注有电解液，溶液中浸有一组铝片，当加上电压时，铝片接正极，圆筒接负极，在铝片上产生一层极薄的氧化铝薄膜，成为电容器的介质；钽电解电容器是用钽粉通过烧结，使阳极具有多孔性，从而增大电容量,按接入方式分类三端电容器：将电容器的输入和输出端分开，使引线电感可以得到利用，这时，引线电感和电容一起构成了T型滤波器，极大改善了高频衰减特性,穿心电容器：没有引线电感造成的电容谐振频率过低的问题，而且可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用,普通电容在高频滤波中的问题：（1）引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；（2）导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果,滤波阵列板：用特殊工艺事先将穿心电容焊接在一块金属板构成的器件上,片状电容器：由于这种电容器的引线电感几乎为零，是抑制电磁骚扰的理想器件，总的电感可以减小到元件本身的电感，因此它们的自谐振频率可以达到同样容量的带引线电容器的2倍，为了避免走线的附加电感破坏这个优点，连接滤波器和去耦电容器的引线要尽量短且直,电容器使用注意事项,注意电容器的耐压：应保持实际电压比额定电压低20%30%注意环境温度：不要超过60C注意电解电容器极性注意电容器产生的干扰噪声,常用滤波器元件电感,实际电感的等效电路实际电感除了电感参数以外，还有寄生电阻和电容，其中寄生电容的影响更大,实际电感的滤波特性,几点讨论实际电感在谐振频率以下比理想电感的阻抗更高，在谐振点达到最大。利用这个特性，可以通过调整电感量和绕制方法使电感在特定的频率上谐振，从而抑制特定频率的干扰开放磁芯会产生漏磁，因此会在电感周围产生较强的磁场，对周围的电路产生干扰。为避免这个问题，尽量使用闭合磁芯,与漏磁现象相反的是开放磁芯电感对外界的磁场也十分敏感（收音机内的磁性天线就是一个利用这个特性的例子），因此，要注意电感拾取外界噪声而增加电路敏感度的问题为防止上述电感本身的电磁兼容问题，往往将电感屏蔽起来，频率较高时，可以用铜或铝等导电性良好的材料，频率低时，要使用高磁导率的材料,克服电感寄生电容的方法尽量单层绕制，输入输出端远离多层绕制的方法：向一个方向绕，边绕边重叠，不要绕完一层后，再往回绕分段绕制：在一个磁芯上将线圈分段绕制，这样每段的电容较小，并且总的寄生电容是两段上的寄生电容的串联，总容量比每段的寄生容量小多个电感串联：将一个大电感分解成一个较大的电感和若干电感量不同的小电感，将这些电感串联起来，可以是使电感的带宽扩展,共模轭流线圈,这种电感只对共模干扰电流有抑制作用，对差模电流没有影响寄生差模电感：实际的共模轭流圈两组线圈产生的磁力线不会全集中在磁芯中，有一定的漏磁，不会抵消，因此有一定的差模电感由于寄生差模电感的存在，共模轭流圈可以对差模干扰有一定的抑制作用寄生差模电感会导致电感磁芯饱和，从磁芯中泄漏出来的差模磁场会形成新的辐射干扰源影响寄生差模电感的因素与线圈的绕制方法和线圈周围物体的磁导率等有关将共模轭流圈一端的两根导线短接，在另一端上测量线圈的电感,铁氧体EMI抑制元件,铁氧体的特性在低频段，阻抗由感抗构成，此时电感容易谐振在高频段，阻抗由电阻成分构成，电磁能量以热的形式耗散掉,铁氧体的应用低电平信号应用：所要求的铁氧体材料的特性由磁导率决定，并且铁氧体芯的损耗要小，还要有好的磁稳定性。高Q值电感器，共模电感器，宽带、匹配脉冲变压器，无线电接收天线和有源、无源天线电源变换与滤波：要求铁氧体材料在工作频率和温度上具有高的磁通密度和低损耗的特点。开关电源，磁放大器，AC-DC变换器，电源线滤波器，触发线圈，用于电车电源蓄电池充电的变压器,电磁骚扰抑制：对铁氧体性能影响最大的是铁氧体材料的磁导率，它直接与铁氧体芯的阻抗成正比。铁氧体一般通过3种方式来抑制无用的传导或辐射信号。（作为屏蔽层；作为电感器；直接应用于元器件的引线或线路板级电路上）铁氧体抑制元件广泛应用于PCB、电源线和数据线上。在使用空间允许的条件下，选择尽量长、尽量厚和内尽量小的铁氧体抑制元件。应安装在尽可能接近骚扰源的地方。,滤波连接器,电缆共模辐射模型,式中：I是电缆中的共模电流强度，L是电缆的长度，f是共模信号的频率。电缆的长度往往不能随意减小，抑制电缆共模辐射的最好方法是减小高频共模电流的幅度,滤波连接器能防止滤波后的导线再次感应上干扰信号,滤波连接器同屏蔽电缆的比较,使用滤波连接器的注意事项若直接安装在面板上，由于许多场合滤波连接器与机箱之间的接触并不是十分充分，导致高频的接触阻抗比较大，故往往需要在滤波连接器与机箱面板之间安装电磁密封衬垫若安装在线路板上，并且通过线路板上的地线与机箱相连，则要注意为滤波器提供一个干净的滤波地（这个地与线路板上的信号地分开，仅通过一点连接），并且要与机箱保持良好的搭接,滤波连接器中的芯都需要滤波，若有些信号由于频率较高而不允许滤波，则在设计时可以考虑将这些信号连接到单独的连接器上，然后对这些信号线使用屏蔽性能较好的屏蔽电缆滤波连接器的好处的前提条件是其输入端与输出端是被隔离开的，只有屏蔽机箱上才有必要使用滤波连接器。,试验结果,连接器滤波,板上滤波,滤波器的安装,注意事项安装在干扰源出口处，再将干扰源和滤波器完全屏蔽在一个盒子里，或安装在靠近干扰源电源线出口外侧，滤波器壳体与干扰源壳体应进行良好的搭接滤波器的输入和输出线必须分开，若不能实施隔离方法，则采用的屏蔽引线必须可靠滤波器中电容器导线应尽可能短，电容器相对于其他电容器和元件成直角安装，避免相互产生影响,滤波器接地线上有很大的短路电流，能辐射很强的电磁干扰，因此对滤波器的抑制元件要进行良好的屏蔽焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会使滤波器的衰减特性完全失去套管滤波器必须完全同轴安装，使电磁干扰电流成辐射状流经电容器,常见的错误安装,滤波器,PCB,输入线过长,错误原因主观：设计人员将滤波器当作一个普通的电路网络来处理客观：设备的电源线输入端一般在设备后面板，而显示灯、开关等在设备的前面板，这样电源线从后面板进入设备后，往往首先连接到前面板的显示灯、开关上，然后再连到滤波器上,滤波器,PCB,输入输出耦合,错误原因忽视了高频电磁干扰的空间耦合，在布置设备内部连线时，为了美观，将滤波器的输入、输出端扎在一起，结果输入线和输出线之间有较大的分布电容，形成耦合通路，使电磁干扰能量实际将滤波器旁路掉在处理电磁兼容问题时，要时刻不忘高频电磁干扰是会通过空间传播和耦合的，而且并不一定按照我们设计好的电路传播，在设计机箱结构时，有一个注意事项就是：尽量使电源端口原理信号端口,滤波器,PCB,绝缘,接地线过长,错误原因在电源线滤波器的基本电路中，共模滤波电容一端接在被滤波导线上（火线和零线），另一端接到地上。对于滤波器而言，这个地就是滤波器的外壳，而滤波器上的接地端子也就是滤波器的外壳。从对电容器的讨论中可知，即使很短的引线也会对电容的旁路作用产生极大的影响，因此应缩短电容引线。,电源,滤波器,PCB,PCB,高频共模滤波器,滤波电路,滤波器直接接地尽量短输入输出线隔离,滤波器安装在线路板上时，在电源线入口处增加一只高频共模滤波器,