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电磁兼容理论与抗干扰方法系列之五(滤波技术)
日期:2008-6-15 23:04:50 来源:本站整理  
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防止电磁干扰的三种主要的硬件解决方式包括接地、屏蔽和滤波。关于接地和屏蔽技术,在之前的文章中已经做过介绍,下面对最后一种方法,滤波技术,进行介绍。

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滤波技术是抑制电气、电子设备传导电磁干扰,提高电气、电子设备传导抗干扰水平的主要手段之一,也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要措施。
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即时一个经过很好设计并具有正确接地和屏蔽措施的电子产品,也会有传导骚扰发射或传导骚扰进入设备。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信号滤除。滤波器的作用是允许工作信号通过,而对非工作信号有很大的衰减作用,使产生干扰的机会减为最小。
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电磁干扰EMI滤波器属于低通滤波器,包括电源线滤波器和信号线滤波器。
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由于完全消除沿导线传出或传进设备的干扰通常是不可能的。滤波的目的就是将这些干扰信号减小到最小,使传出设备的骚扰值不超过给定的限制值,使传入设备的骚扰不会引起设备的性能下降或失灵。
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电磁干扰滤波器的工作原理有两种:
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1. 把无用信号能量在滤波器里消耗掉。这种滤波器含有损耗性器件,如电阻或铁氧体等。
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2. 不让无用信号通过,把它们反射回信号源,并且必须在系统其他地方消耗掉。
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在滤波技术中,最重要的两种干扰方式是共模干扰差模干扰
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共模干扰,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。这种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。信号电缆上的干扰主要以共模干扰为主。共模干扰本身不会对电路产生影响,但如果电路不平衡,共模干扰会转化为差模干扰,对电路产生影响。而且,如果设备在电缆上产生共模干扰电流,会造成电缆强烈的电磁辐射,或对其他设备造成干扰。
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差模干扰,指干扰电流在信号线与信号地线之间流动的干扰。在信号电缆中,差模电流主要是电路的工作电流。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。而在电源线中,差模干扰往往是十分严重的问题,因为电网上其他电器电源通断时产生的干扰都是差模干扰。另外开关电源的非线性也会导致很强的差模干扰。从受干扰的角度看,差模干扰比共模干扰危害大,从干扰发射的角度看,共模干扰比差模干扰危害大。
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此外,在滤波器中,有两个最为重要的技术参数,分别是插入损耗频率特性
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插入损耗是描述滤波器性能的主要参量,插入损耗的大小随工作频率不同而改变。
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L=20lgU1/U2  (dB)
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其中, U1为信号源通过滤波器在负载福康上建立的电压
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       U2为不接滤波器时信号源在同一负载阻抗上建立的电压
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       L为插入损耗
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频率特性指插入损耗随频率变化的曲线。滤波器的频率特性必须达到设计要求,因此,和滤波器连接的负载阻抗值以及连接的信号源阻抗值也必须符合设计要求。另外,滤波器还要有足够高的额定电压,以保证能经受浪涌或脉冲干扰的恶劣环境。按频率特性,滤波器可分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器。
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在制作电路板时,选择滤波器通常要考虑一下方面:
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1.       频率特性:要明确所需的工作频率和所要抑制的干扰频率。如果两者很接近,则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器,才能把两种频率分隔开。所采用的干扰滤波器,应在宽带范围内,对共模和差模干扰均有很大的插入损耗,以抑制乱真信号。
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2.       耐压特性(额定电压):滤波器的耐压必须足够高,以保证在高压情况下可靠地工作。当输入电压是脉冲电压或电压变化范围很大时,滤波器要满足额定电压要求,因为当外加电压超过额定电压时,滤波器内的器件可能被烧毁或击穿。
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3.       额定电流:滤波器连续通以最大额定电流时,其温升要低,以保证以该额定电流连续工作时,不破坏滤波器中器件的性能。
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4.       阻抗特性:为使工作时的滤波器频率特性于设计值相符,要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值。如果信号源(干扰源)输出阻抗未知,或者该值的变化范围很大,为使滤波器具有一个比较稳定的滤波特性,要在它们的输出和输入端同时并联一个固定电阻。
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5.       屏蔽:滤波器必须有屏蔽结构,屏蔽体要和本体有良好的电接触,滤波器的电容引线要尽量短,最好选用低引线电感的穿心电容器。
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6.       可靠性:作为防护电磁干扰用的滤波器,往往故障要比其他元件的故障更难排查,因此滤波器要有良好的耐压、漏电、绝缘、温升等性能。
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除了以上几条,根据工作环境不同,还可以考虑到成本、体积与重量、海拔、温度等因素。
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之前的内容介绍过,根据频率特性可以对滤波器分为4种类型。而根据滤波原理可以将滤波器分为反射式滤波器吸收式滤波器。低通滤波器、高通滤波器、带阻和带通滤波器均属于反射式滤波器。
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反射式滤波器
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反射式滤波器在日常中使用更为广泛。 反射式滤波器通常由电感和电容构成(理想情况下,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,而在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。反射式滤波器就是通过把不需要的频率成分的能量反射回信号源而达到滤波目的。
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低通滤波器
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低通滤波器是电磁兼容技术中使用最多的一种滤波器,用来控制高频电磁干扰。比如电源线滤波器,在放大器电路和发射机输出电路中的滤波器通常也是低通滤波器。在数字设备中,用低通滤波器滤除脉冲信号中的高次谐波。
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低通滤波器可分为并联电容滤波器、串联电感滤波器、L型滤波器、П型滤波器和T型滤波器。
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当信号源内阻小,负载也小时,选用T型滤波器。
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当信号源内阻大,负载也大时,选用П型滤波器。
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高通滤波器
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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,高通滤波器可由低通滤波器转换。方法如下:
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1.     把每个电感L(H)转换成数值为1/L(F)的电容C
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2.     把每个电容C(F)转换成数值为1/C(H)的电感L
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例如,将低通滤波器电路结构中的5H的电感换成0.5F的电容,将10F的电容换成0.1H的电感即可。
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带通滤波器和带阻滤波器
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带通滤波器是对通带之外的高频及低频干扰信号进行滤除,其基本构成是由低通滤波器经过转换而成为带通滤波器。带阻滤波器是对特定的窄带内的干扰信号进行抑制,带阻滤波器通常是串联于干扰源与干扰对象之间,也可将带通滤波器并联于干扰线与地之间来达到带阻滤波的作用。
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吸收式滤波器
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吸收式滤波器是由有耗元件组成,它吸收不需要频率的成分的能量,将其转化为热能,来达到抑制干扰的目的。
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在实际应用中,不能完全的使滤波器的输入输出阻抗与制定的电压源和负载阻抗相匹配。由于存在失配,所以当把一个滤波器插入传输干扰的线路时,实际上在线路上将形成干扰电压的增加。这也是反射滤波器的缺点。因为当滤波器和源阻抗不匹配时,一部分有用能量将被反射回能源,导致干扰电平的增加,而用吸收式滤波器可以将其转化为热能。
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