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EMC滤波设计技术
 

 

 

                 纽威电子  技术部

作者:肖岳峰

编者的话:本人写这本书的目的是为了让大家更好的了解电磁骚扰方面的知识,更好的利用我公司的滤波器来抑制电磁传导骚扰。文章里面的部分内容参考了我公司应用手册比较全面的阐述了电磁骚扰产生的机理和抑制方法,对工程师来说是一本很好的电磁兼容设计工具书了。

内容:

*         电源线上的干扰

*         电源线滤波器的作用

*         电源线上干扰的类型

*         电源线滤波器的基本原理

*         电源线滤波器的主要指标

*         影响电源线滤波器外形尺寸的因素

*         选用电源线滤波器是怎样确定所需要的插入损耗

*         实际电源线滤波器与理想滤波器的差距

*         电源线滤波器高频插入损耗的重要性

*         将电源线滤波电路直接安装在线路板上的利与弊

*         一个灵活的方案

*         电源线滤波器的正确安装方法

*         要注意信号电缆对电源线传导发射的影响

*         信号线滤波器的作用

*         怎样在线路板上安装信号线滤波器

*         馈通型滤波器是解决电磁干扰的理想器件

*         馈通滤波器的电路

*         滤波阵列板与滤波连接器

*         自制滤波连接器

*         怎样确定滤波器的参数

*         铁氧体材料在滤波中的应用

 

 

电源线上的干扰

如果用示波器观察一下电力电网,会发现50Hz的电压上叠加着各种各样的干扰电压,既有mV级的连续干扰,也有数百V甚至上千V的瞬态干扰。这些干扰对电网中的设备会产生不同程度的影响。这些干扰是从哪里来的呢?

我们可以将这些干扰分为自然干扰源和人为干扰源。典型的自然干扰源是雷电,空中发生雷电时,会伴随着强大的电磁场, 电磁场会在空中的导体上感应出很高的电压,这就是干扰。雷电产生的干扰是如此之大,不仅能导致设备误动作甚至造成电路损坏。人为干扰源可以分为以下两种:

一.功能性能量发射设备:这类设备靠发射能量工作,如无线电设备、雷达等,他们辐射到空间的能量会感应到电力线上,形成干扰。另外,这些设备也会通过电源线直接将能量泄漏到电网上。

二.非功能性发射设备:这类设备不依靠发射能量实现特定功能。但它们工作时,会向外发射额外的电磁能量。与工业、医学上使用的高频仪器、信息处理设备、含马达的家用电器、使用可控硅的家用电器、开关电源等。这些设备在工作时会向空间和电网上发射电磁能量。

以往, 当设备在干扰的作用下发生误动作时, 人们往往会将注意力集中到提高设备抗干扰性上,想方设法使设备能够在干扰环境中正常工作。但这不是一个彻底的解决办法。就象人们意识到汽车尾气造成的污染会导致疾病, 为了能够生存, 虽然可以上街时戴上口罩,但这不是根本的解决办法。彻底的方法应该是控制尾气排放,形成一个良好的生存环境。

同样,对于日趋严重的电磁污染,根本的解决方法是限制设备的电磁泄漏。另一方面,对于设备在电磁干扰环境中正常工作的能力也需要一个定量的规定,这就导致了电磁兼容标准的产生。国家现在已将电磁兼容标准作为强制性标准实施,不满足这些标准的产品不能销售。

电磁兼容标准(GB9254,GB4343,GJB151A等)的内容:

1. 干扰发射:辐射发射;传导发射

2. 度:辐射敏感度;传导敏感度;静电放电敏感度

电磁兼容标准对设备提出两个方面的要求,首先不能向空间环境发射过强的电磁能量,其次要对环境中的电磁干扰有一定的耐受能力。

 

电源线滤波器的作用

很多人认为电源线滤波器的作用是使设备能够电磁兼容标准中对传导发射传导敏感度的要求,但这是不全面的;后面将看到电源线滤波器对抑制设备产生较强的辐射干扰方面也很重要。严格的说,电源线滤波器的作用是防止设备本身产生的电磁干扰进入电源线,同时防止电源线上的干扰进入设备 。电源线滤波器是一种低通滤波器,它允许直流或50Hz的工作电流通过,而不允许频率较高的电磁干扰电流通过。。电源线滤波器是双向的,它既能防止电网上的干扰进入设备,对设备产生不良影响,使设备满足传导敏感度的要求;又能防止设备内的电磁干扰通过电通过电源线传到电网上,使设备满足传导发射的要求。

能够产生较强干扰的设备和对外界干扰敏感的的设备都要使用电源线滤波器。能够产生强干扰的的设备有:含有脉冲电路(微处理器)的设备、使用开关电源设备、使用可控硅设备、变频调速设备、含有马达的设备等。敏感电路如:使用微处理器的设备、小信号模拟电路等。

 

电源线上干扰的类型

电源线上的干扰电流按照其流动路径分为两类,一类是差模干扰电流,另一类是共模干扰电流。差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流,共模干扰是在火线、零线与大地(或其它参考物体)之间流动的干扰电流,由于这两种干扰的抑制方式不同,因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。区分干扰电流是差模还是共模可以从三个方面进行判断:

a. 从干扰源判断:

雷电、设备附近发生的电弧、设备附近的电台和其它大功率辐射装置在电源线上产生的干扰是共模干扰;另外,如果发现电源线上的干扰是来自机箱内的线路板或其它电缆,则为共模干扰;这是因为通过空间感应在火线和零线上的干扰电流是同相位的。在同一电力线上工作的马达、开关电源、可控硅等会在电源线上产生差模干扰。

b. 从频率上判断

差模干扰的频率主要集中在1MHz以下,而共模干扰的频率一般分布在1MHz以上。这是由于共模干扰是通过空间感应到电源线上的,这种感应只有在干扰信号频率很高时才容易发生。

c. 用仪器测量

如果有一台频谱分析仪和一只电流卡钳就可以进行测量。电流卡钳实际上是一个绕在磁芯上的线圈,当被测电缆穿过卡钳时,就形成了一个变压器;被测导体相当于变压器初级,卡钳中的线圈相当于变压器次级,电缆上的信号会耦合到卡钳中的线圈上,用频谱分析仪可以检测出来。

判断步骤如下:

步骤一:将卡钳卡在火线或零线上,记录下某个感兴趣频率的干扰信号的强度lf1

步骤二: 将卡钳同时卡住火线或零线,若观察不到lf1),则lf1)完全是差模干扰,其中不含共模成份;,若还能观察到lf1),则lf1)中包含共模干扰成份,要判断是否仅含共模成份,需进行步骤三的判别。

步骤三:将卡钳分别卡住火线或零线,若两根线上测得的lf1)的幅度相同,则lf1)仅含共模成份;若不相同,则lf1)中还包含差模成份。

 

电源线滤波器的基本原理

电源线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。

地线一般是金属机箱,当设备机箱不是金属材料时,滤波器的地线一般与安全地相连;但由于安全地的阻抗很大,滤波器对共模干扰的衰减效果将大大降低。

   

电源线滤波器的主要指标

    当我们选用电源线滤波器时,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。

a)电压、电流对使用效果的影响

    电源有交流直流之分,与此相对应,许多厂家的电源线滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲,交流电源线滤波器既可用在交流电源上,也可在直流电源上使用;但直流电源线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,直流电源线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。

当电源线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。

b) 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。

 

影响电源线滤波器外形尺寸的因素

由于许多设备在设计之出并没有考虑干扰滤波的问题,因此安装滤波器的空间往往是一个很棘手的问题、。即使在设计时考虑到了电磁兼容的问题,人们往往会认为电源线滤波器是一个可有可无的选装件,不愿意提供较大的空间。由此造成人们在选用滤波器时,经常将滤波器的体积作为一项重要的指标来考虑,总是希望滤波器的体积越小越好。

为什么两个滤波器的额定电流都是10A,而它们的体积会相差很多?你会毫不犹豫的选择体积较小的一种? 滤波器的体积主要由滤波电路中的电感所决定,电感线圈的体积越大,滤波器的体积越大。以下因素影响电感的体积:

a)额定电流:当滤波器的额定工作电流较大时,电感线圈会使用较粗的导线绕制,这自然会增加体积;另外,为防止磁芯发生磁饱和现象,往往要使用体积较大的磁芯,这会增加体积;

b)低频特性:当需要滤波的干扰信号频率较低时,共模扼流圈和差模扼流圈的电感量都需要很大,导致电感元件的体积增加。例如开关电源的频率越低,则需要滤波器中的电感量越大;

-1 给出了滤波器中共模电感与电磁兼容标准和开关电源频率的关系。

通过以上的分析,你是否还在刻意的追求滤波器的体积小?体积小的滤波器已使用了体积小的电感元件,它的电感为什么能小?是牺牲了电流容量,还是牺牲了低频特性?付出这些代价后,是否还能满足最核心的要求——抑制电磁干扰?

另外,当滤波器的体积较小时,内部器件一定靠得很近,这会降低滤波器的高频滤波性能,导致设备的辐射发射超标。这在实际使用中要特别注意

-1

电磁兼容标准

共模电感的电感量(mH

FCC

3

GB9254

8

欧洲CE认证

开关频率=100KHz

10

开关频率 = 70KHz

15

开关频率 = 50KHz

30

 

选用电源线滤波器是怎样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)。由于电源线滤波器是低通滤波器将插入损耗线(c)变换为低通滤波器插入损耗的形式(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(见下一节)。

但如果从厂家的产品样本上选择插入损耗值满足(d)的滤波器,十有八九会失败。因为厂家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,这就得到了(e)。从样本上选择滤波器,其插入损耗应满足(e)的要求。

 

实际电源线滤波器与理想滤波器的差距

理想的电源线滤波器是低通滤波器,但实际的电源线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。从图可以看到,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。

 

电源线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;因为当他所开发的设备辐射发射超标时,它会从机箱、信号电缆等环节检查(这是许多教科书和培训班中所介绍的),而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,电源线滤波器的高频特性是十分重要的。

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。

 

将电源线滤波电路直接安装在线路板上的利与弊

电源线滤波器的电路是如此简单,一个诱人的想法是直接将滤波电路安装在线路板上的电源线入口处,这样既能够节省空间,又能够降低成本;另外,由于滤波器的实际衰减特性与它所连接的网络有关,因此在实际使用中不可避免地要对滤波器的参数要进行调整;将滤波器安装在线路板上,能够很方便的按照电路情况进行调整。

将滤波电路直接安装在线路板上从电路的角度看是完全可行的,但是从电磁干扰滤波的实际情况看,有些问题。首先,如果希望滤波器具有良好的高频特性(其重要性前面已经论述),Y电容的引线必须短,且应直接连接到金属壳上;当滤波电路器件安装在线路板上时,这一点是很难做到的,除非在设计线路板和安装结构时考虑这个问题。其次,机箱内线路板、电缆产生的辐射会直接感应到滤波器电路上的各个部位,导致滤波器电路失效。这个问题在高频时尤为突出。从理论上讲,只要能够妥善解决以上的两个问题,将滤波电路直接安装在线路板上是完全可以的。

 

一个灵活的方案 

如上所述,将滤波电路直接安装在线路板上有许多好处;特别是设备功率较大或干扰频率较低时(电源线滤波器的体积往往较大)、将滤波电路直接安装在线路板上的方案更值得考虑。但是要解决上面所提到的高频滤波问题,又是一个难点。

为了使设计人员方便的解决这个问题,本公司提供的方案是关键的器件安装在机箱面板上的内含电容滤波网络的插座。这个插座内部安装了共模扼流圈和滤波电容器,电容器的安装严格遵循引线最短、前后隔离的原则。之所以仅使用共模滤波网络,是因为差模干扰已被线路板上的滤波器滤除,感应到电源端口上的都是共模电流。

按照用户的特殊要求,滤波电容可以采用穿心电容;当使用穿心电容时可以将滤波的有效频率范围提高到1GHz以上。

 

电源线滤波器的正确安装方法

电源线滤波器从外观上看是一个两端口网络,许多人认为只要按照接线图将滤波器串在设备和电源之间就可以了。这是一个十分错误的概念。下面通过讲几种连接方法的错误所在,使你了解和掌握应该怎样正确的安装电源线滤波器。

a)电源输入线过长

这是一个很常见的错误;人们在安装滤波器时,通常并不注意安装位置,而是在机箱内随便找一个方便的位置,将滤波器固定好,然后将导线连接上,这样就容易犯图示错误;这里的错误是滤波器的电源输入端导线过长,其后果是电网上的干扰进入设备后,还没有经过滤波器,就通过空间耦合到线路板上,对电路造成干扰。而设备内的干扰会直接感应到电源线上,传出设备。一定要记住,我们所涉及的电磁干扰都是频率较高的,它们极易辐射和通过空间耦合。

发生这种错误的另一种情况是,大部分设备的电源输入口安装在设备后面板,而电源开关、指示灯等元件安装在设备的前面板;这样电源线进入设备前面板后,先连接到前面板,然后再连接到滤波器上;这时,尽管滤波器据电源线入口很近,但是仍会出现同样的错误。

特别提示:不仅滤波器安装的位置要靠近电源线的入口,而且滤波器的电源输入线要短

b)滤波器输入线、输出线靠的过近:

滤波器的输入线和输出线捆扎在一起。这样,高频干扰信号实际会通过输入线和输出线发生耦合,而将滤波器旁路掉。

c)滤波器接地不良:

首先,我们必须明确滤波器的外壳必须“接地”,即必须接金属或屏蔽机箱,这从滤波器的电路中可以看出,只有当共模电容接地时,才能够将线路上的共模干扰旁路掉;同时为了对高频起到有效的旁路作用,要求电容的引线越短越好。当滤波器没有接地时,电路中的共模滤波电容实际起不到作用的。

正是为了接地,滤波器的外壳上通常有一个专用的地线接线端子。虽然这个接线端子的目的是为了方便的安装接地导线,但其却造成了一种滤波器使用中常见的错误;人们通常认为只要将这个接地端子接地就可以了,因此在实际设备中,常常见到人们用一根长导线将滤波器连接到设备机壳上,这时,这根地线基本形同虚设,因为在高频时,长导线的阻抗是很大的,根本起不到对干扰有效的旁路作用。下表给出了不同直径、不同长度的导线在不同频率下的阻抗。

正确的安装方式是将滤波器的外壳大面积贴在金属壳的导电表面上。滤波器的理想安装方式:滤波器直接贴在电源入口处,并在接触面上使用电磁屏蔽衬垫,利用外壳实现隔离。

另外下面的安装情况也都是不正确的:滤波器与设备金属壳之间有绝缘漆、滤波器根本没有接地、或者通过紧固螺钉连接。

 

导线的阻抗(Ω)(导线长度=10厘米)

频率(Hz

直径=6.5mm

直径=2.7mm

直径=0.65mm

10

51.4μ

327μ

5.29m

1K

429μ

632μ

5.34m

100K

42.6m

54m

71.6m

1M

426m

540m

714m

10M

4.26m

5.4

7.14

50M

21.3

27

35.7

100M

42.6

54

71.4

 

  特别提示:导线的直流电阻和交流阻抗是完全不同的,滤波器绝不能靠单根导线接地,而要与设备金属外壳之间有大面积的导电接触。

 

要注意信号电缆对电源线传导发射的影响

由于电源线和信号电缆线通常安装在一块面板上,因此电源线和信号电缆线之间的耦合是不可避免的。这时,尽管电源线经过精心处理,完全没有问题,但是在测量时会出现传导发射超标的现象。这种干扰实际是从信号电缆上耦合过来的。这时如果不对信号电缆进行处理,传导发射是无法达标的。实际上,当信号电缆上有较强的传导干扰时,还会导致设备的辐射发射超标。因此,遇到这种情况,一定要对信号电缆采取措施,如采取屏蔽或在接口处使用滤波器或滤波连接器。

判断这种情况,只要将电源线周围的电缆拔掉,再次测量设备的传导发射,观察是否仍然超标;如果不超标了,说明是信号电缆的影响。

 

信号线滤波器的作用

信号线滤波器的主要作用是解决空间电磁干扰问题,例如设备向空间辐射较强的电磁干扰,或者设备对空间的电磁干扰敏感等问题。前面看到的信号线电缆和电源线电缆之间的耦合导致传导发射在高频超标的现象,就是由于信号线上的高频干扰通过空间耦合到了电源线上造成的。出现这种现象是因为信号电缆本身就是一条效率很高的辐射和接收天线,它造成的危害如下:

1)造成很强的超标辐射:机箱内的电磁能量在电缆上感应出共模电压和电流,共模电流在电缆上流动,产生了共模辐射。这种辐射往往是设备超标辐射的主要原因。

2)设备周围环境空间的电磁能量被电缆接收到后,形成共模电流,沿着导线传进机箱,一方面对与电缆直接连接的电路产生干扰,另一方面借助导线再次辐射,对机箱内的其它电路(没有直接与电缆连接的电路)造成干扰。

3)造成屏蔽体或隔离层被破坏,产生这种作用的原因也是电缆对电磁波的接收和再次辐射,导致电磁能量通过电缆泄漏,从现象上看就是屏蔽体的屏蔽效能降低。

理论和实践均表明:设备上的电缆是电磁兼容上最薄弱的环节。信号线滤波器的作用就是解决上述三个方面的问题。下面的结论是十分重要的:

任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果或隔离效果,对这些导线,必须采取滤波措施。

信号线滤波以共模滤波为主。这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式的,而对信号电缆上传输的差模信号,希望不产生任何影响。

怎样在线路板上安装信号线滤波器

     当设备出现了电磁干扰问题时,许多有经验的工程师会在电缆的端口上安装滤波电路(例如滤波电容、RC滤波电路、LC滤波电路等),但经常达不到预期的效果。这是因为我们忽视了两个原因,一个是电缆上需要滤波的电磁干扰往往都是频率很高的电磁信号(无论是接收到的空间干扰,还是设备内传导到电缆上的干扰),而我们所作的大部分滤波电路对高频干扰的滤波效果都是很差的(由于电容的引线电感、空间的寄生参数等)。另一个原因是,滤波器的安装方式有问题(滤波器接地不良,滤波器的输入输出端有耦合、空间耦合将滤波器旁路掉等),进一步降低了滤波器的高频滤波性能。要获得预期的效果,需要注意以下几点:

1)高频特性较好的滤波器件

  三端电容是一种特殊结构的电容器,它与普通电容器的区别在于,它有三根引线,其中一个电极上有两根引线。这样一个微小的改变,却使电容器的滤波效果发生了很大的改善。普通电容的引线电感对于电容的高频滤波的作用是有害的,而三端电容却巧妙地利用了引线电感,构成了一个T型低通滤波器。三端电容的高频滤波效果比普通电容改善了很多。如果在三端电容的两根连在一起的引线上分别安装一个铁氧体磁珠,则会大大增加T型滤波器的滤波效果。这就是我们常说的片状滤波器。

2)滤波器良好的接地

  无论采用什么器件,这一点都是十分重要的。即使对于三端电容器,如果接地引线过长,引线的电感也是十分有害的,会使滤波性能大打折扣。对于滤除差模干扰的滤波器,只要在布线时保证等效成电容的引线的走线尽量短就可以了,对于滤除共模干扰的滤波器,还要保证线路板与机箱之间的接地良好。一般可以通过簧片或导电布衬垫接地。另外,用于I/O接口滤波接地目的的地线要单独安排,并且仅与线路板的其它地线在一点连接(这称为“干净”地)。当使用π型滤波电路时,这一点更重要。

3)滤波器并排安装,否则,已经滤波的和没有滤波的信号之间会发生串扰,使总体滤波失效。当需要滤波的引线较多时,使用多路滤波器(本公司有产品,分别对应π型滤波电路和T型滤波电路)。

4)滤波器与机箱上电缆接口之间的引线要短,可以加一个隔挡层。

 

馈通型滤波器是解决电磁干扰的理想器件

由于电路的工作的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日益突出。解决高频滤波的根本方法是使用馈通型滤波器。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。

馈通滤波器的使用方法有以下三种:

1)安装在屏蔽体(屏蔽箱和屏蔽机箱等)的面板上

   这是最基本的使用方法,当有导线穿过屏蔽体时就需要在屏蔽体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

   再多层线路板上,可以利用线路板的的地线层作隔离层和接地层。

3)安装在线路之间的隔离板上

   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,造成滤波器损坏。焊接时要注意控制焊接的时间和温度。

螺纹安装的方式简单易行,可以在面板上打通孔,用螺母将馈通滤波器拧紧,也可以在面板上打带螺纹的孔,将馈通滤波器直接拧上。无论是用哪一种方法,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,但是由于内部是空心的,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。

 

馈通滤波器的电路

滤波器的电路结构C 型(单个穿心电容)、L型(一个穿心电容加一个电感)、T型(两个电感加一个穿心电容)、π型(两个穿心电容加一个电感)等,滤波器的电路器件越多,则滤波器的过渡带越短,阻带的插入损耗越大。选用滤波电路的依据是:

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(但有例外,当没有符合下面第3项的原则时,衰减量可能与器件数量较少的一样)。

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)使用滤波器电路的阻抗:一个基本原则是,滤波器中的电容对着高阻抗电路,电感对这低阻抗电路。这里所谓的高低,可以以50Ω为参考。

 

滤波阵列板与滤波连接器

滤波阵列板与滤波连接器是馈通滤波器的概念的两种延伸。当需要滤波的导线数量较多时逐个焊接和安装是十分繁琐的事,这时可以使用滤波阵列板与滤波连接器如图所示。

滤波阵列板上的滤波器已经由厂家使用特殊工艺焊接好,性能可靠,使用简便。滤波阵列板上的滤波器的间隔为2.54mm,因此扁平电缆的接头可以直接插上,避免了逐根焊线的繁琐,便于组装。滤波阵列板一般用在机箱的内部。

对于机箱外部的电缆进行滤波必须使用滤波连接器,这样才便于电缆的插拔。一般滤波连接器的外形尺寸与普通连接器是完全相同的,可直接取代普通连接器。不同的是滤波连接器的每一个针(孔)上安装了一个低通滤波器,滤除信号线上的高频干扰。

使用滤波阵列板时,要注意的问题是:一定要在滤波阵列板与安装面板之间安装电磁密封衬垫,否则在缝隙处会有很强的电磁泄漏。

 

自制滤波连接器

滤波连接器对与电缆造成的干扰十分有效。但滤波连接器的价格一般较高,并且不是所有型号的连接器都有对应的滤波连接器。这给实际工程带来很大不便。如果对空间的限制不严,可以自己制作滤波连接器,其效果与成品相同(甚至更好,因为有些成品滤波连接器内的滤波器件接地不太可靠),只是需要额外的加工费和安装空间。

自制滤波连接器的方法有两个,一个是在设备面板上安装上选好的连接器后,在连接器的后面装一个屏蔽盒,屏蔽盒上安装馈通滤波器(或滤波阵列板)。另一个方法是将选好的连接器与馈通滤波器(阵列板)安装在一个独立的金属盒内,构成一个滤波部件。

 

怎样确定滤波器的参数

选用滤波器时,最重要的三个参数额定电流、额定电压和截止频率。额定电流就是指流过滤波器的信号电流,一般很好确定。在确定额定电压时往往会犯一些错误,而在确定截止频率时往往感到困惑。

电压的确定:如果所滤波的导线不会受到静电放电、电脉冲、涌浪等高压的冲击,电路的工作电压就是滤波器的额定工作电压。如果不是这样,例如,拖在设备外部的电缆,会受到高压的冲击,需要充分考虑到这种情况。一般额定工作电压要达到200V以上。

截止频率的确定:信号线滤波器的截止频率定义是插入损耗为3dB时的频率。截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能信号的带宽,保证设备的正常工作,同时最大限度的滤除不必要的高频干扰。对于模拟信号,截止频率很好确定,只要保证截止频率大于信号的带宽即可。对于数字脉冲信号,截止信号可定为1/πt r , tr 是脉冲的上升/下降时间。如果是周期性脉冲信号,也可以取脉冲重复频率的1 5倍作为截止频率。

滤波电容的确定:电容值越大,滤波器的截止频率越低,对于单个电容的滤波电路而言,截止频率为:Fco=1/(2πRpC), Rp是原电路阻抗与负载电路阻抗的并联值。

 

铁氧体材料在滤波中的应用

电磁干扰抑制铁氧体磁环、磁珠等由于使用方便、价格低廉而倍受设计人员的青睐,它的主要优点如下:

1)使用非常方便,直接套在需要滤波的电缆上即可。

2)不像其它滤波方式那样需要接地,因此对结构设计、线路板设计没有特殊的要求。

3)作为共模扼流圈使用时,不会造成信号失真,这对于传输高频信号的导线而言非常可贵。

电磁干扰抑制铁氧体与普通铁氧体的最大区别在于它具有很大的损耗,用这种铁氧体做磁芯制作的电感,其特性更接近电阻。它是一个电阻值随着频率增加而增加的电阻,当高频信号通过铁氧体时,电磁能量以热的形式耗散掉。

要充分发挥铁氧体的性能,下面一些注意事项十分重要:

A)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(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。

B)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。

C)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。

D)铁氧体磁环尺寸的确定: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。

E)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。

F)电缆上铁氧体磁环的个数:增加电缆上铁氧体磁环的个数,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。

G)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,磁环尽量靠近机箱电缆的进出口。

H)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。

铁氧体磁芯的线圈在频率较低时,仍然是一个电感, 对于这种单个电感构成的滤波电路而言,截止频率为:Fco=1/(2πRsL), Rs 是原电路阻抗与负载电路阻抗的串联值。

 

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