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滤波器的分类与选型实战经验总结

作者:时间:2017-06-06来源:网络

(filter),是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/349862.htm

选型

电路设计人员如何确定在哪种场合该选用哪种滤波器呢?本文旨在帮助他们作出这种决定。

  滤波器的选择看似神秘,但实质上并非如此。不过在很多场合,即使竭尽全力采取以下所述方法来选择,也还是需要实验多个滤波器后才能挑出最合适的一只。

  那么,为什么要煞费苦心去正确的选择滤波器呢?按这里提供的准则来进行滤波器的筛选,至少可满足滤波器的正确尺寸和类型的要求,因此,试用滤波器仅仅是用一只滤波器替换另一只滤波器,同时检查传导及辐射发射,看哪只滤波器具有最佳的费效比。

  如果在设计过程中没有足够的耐心去选择滤波器,墨菲法则(好象所有的物理、医疗和财政方面的公式都是从这里派生出来的)表明:最终证明是最合适的滤波器会与产品的其它要求完全不兼容。要么滤波器太大或太重而不能安装在铸塑模机壳内,需要一笔昂贵的重新制造模具的费用,要么需要一种不易实现的安装方法,要么由于滤波器的泄漏电流,将使推向市场的产品存在安全隐患问题。确实,如果没有仔细选择正确型号及类型的滤波器,那么按照墨菲法则,挑选合适的滤波器将增加研发和生产费用,同时也会推迟产品的上市时间。

  1. 滤波器有关指标的计算

  通过将产品的发射频谱与相关的电磁兼容标准比较,可以估算用滤波器控制发射所需要的衰减量。对于抗扰性控制,可以通过比较外部电噪声(通常取自有关的电磁兼容抗扰度标准)与产品电子线路的敏感性以及干扰期间希望达到的性能等级来估算一个粗略值。

  当明确知道一个产品实际的发射或敏感性能时,就可采取精确的计算而不去进行估测。不过,如果不是在一个可控的50Ω阻抗环境中工作,在购买滤波器时,厂家提供的产品指标是靠不住的。

  2. 阻抗问题

  滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续,将射频电磁波中的大部分能量反射回源处。大多数滤波器的性能是在源和负载阻抗均为50的条件下测得的,这使我们直接联想到极为重要的一点,这就是滤波器的性能在实际情况下不可能达到最佳。

  考察一个典型的电源线滤波器,它安装在交流电源线与作为产品直流电源的交-直流变换器之间。白天,交流电源的阻抗在2~2kΩ间变化,取决于与它连接的负载以及所关心的频率。连接到电子设备的电源线的特征阻抗大约在150Ω,当整流器在电源波形的尖峰附近导通时,相当于短路,而在其它时间,相当于开路。

  滤波器参数是在50Ω的源和负载阻抗的测试环境下获得的,因为大多数射频测试设备采用50Ω的源、负载及。这种方法获得的滤波器性能参数是最优化的,同时也是最具有误导性的。

  因为滤波器由电感和电容组成的,因此这是一个谐振电路。其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。事实上,一只价格昂贵且50/50性能优秀的滤波器可能在实际中的性能还不如一只价格较低且50/50性能较差的滤波器好。

  3.

  图1给出的单级对源和负载的阻抗都很敏感,当工作在实际的源和负载阻抗条件下时,很容易产生增益,而不是衰减。这种增益通常出现在150kHz~10MHz的频率范围内,幅度可以达到10 ~ 20dB。因此,在产品上安装一个不合适的滤波器后,可能会增加发射强度和/或使敏感性变得更糟。

图1 典型的单级

  图2所示的两级或更多级的滤波器,可以使内部接点保持在相对稳定的阻抗上,因此对负载及源的阻抗依赖不是很大,可以提供接近50/50指标的性能。当然,这些滤波器体积更大,价格更高。

图2 典型的两级电源线滤波器

  为了解决阻抗问题,最好是购买生产厂家同时标明了在“匹配”的50/50测试系统中的指标和在“失配”条件下的指标的产品。失配的数据是在源阻抗为0.1,负载阻抗为100的条件下,和相反的条件下,测得的。一个窍门是用所有这些曲线中的最坏情况形成一条衰减曲线图,并将其作为滤波器的技术指标。当采用这种方法来选择滤波器以满足产品的预期目的时,滤波器的性能通常能够达到希望的效果,甚至更好一些。

  大多数电源线滤波器采用共模扼流圈和连接在相线间的X电容处理差模干扰。如果滤波器用于解决开关电源、相位角功率控制器、马达驱动器等电路产生的低频高强度干扰问题,则通常需要比X电容所能提供的差模衰减更大的衰减,这时需要采用如图3所示的差模扼流圈。由于磁芯会发生饱和现象,所以很难以较小的体积获得较大的电感量。这些滤波器一般体积比较大而且也比较昂贵。

图3 开关电源转换器上使用的典型滤波器

 大多数电源线滤波器采用Y型电容,这些电容连接在相线与地线之间。为了不超过相关安全标准限定的地线允许泄漏值,这些电容的值大约在几nF左右。一般地,Y电容应连接到噪声干扰较大的导线上(例如,仪表灵敏模拟电路中的电源线,开关电源中的整流器等)。

  对于医疗设备,特别是与病人身体接触的,要求地线泄漏电流值相当低,因此使用任意一种Y型电容都是不行的。这时采用的滤波器需要更大的电感和/或采用多级级联,因此体积较大,价格较高。(最好是在设备与病人相连的那一端采用电池供电,仅通过光耦或光纤与交流电源供电的设备相连。)

  在较大的系统里,来自大量Y型小电容的地线泄漏会产生很大的地线电流,这样就会产生地线电压差,从而导致不同设备间的互连电缆上产生“嗡嗡”的交流声和瞬态高电平。现代最佳解决方案是采用等势三维地线搭接,但许多陈旧的设施中不能实现这一点。因此,决定用在大系统里的设备应使用Y电容很小或根本没有Y电容的滤波器。

  最好是使用满足安全认证的电源线滤波器。这些滤波器的安全性、可靠性、温度范围、额定电压和电流以及恰当的安全标准的应用均业已由厂家认证通过。

  4.

  如果传导发射或辐射发射由不可避免的信号频谱引起,那么试图使用差模滤波器来减小这些发射并不是办法。不过对所关心的信号频谱范围内的频率,采用共模滤波是可行的,因为有用的信号是差模而非共模

  的技术指标中,一般都忽略了地线噪声。驱动芯片会产生地线跳跃噪声,如果数字印刷电路板的地线面与机壳间的射频搭接不好,便会在所有导线中产生大量的数字0V噪声,因此,外封装上标有低转换速率的驱动芯片仍可能产生高电平的射频噪声。

  低频模拟信号中使用的滤波器,尤其是当电子电路的灵敏度非常高时,需要采用如电源线滤波器一样的单级或多级电路。然而,在多数情况下,信号是数字化的或高电平模拟信号,对干扰不很敏感,因此可采用R、L、C、RC、LC、T、或π型滤波器,如图4所示。

图4 各种

  R和L滤波器的基本工作原理是产生一个高阻抗以反射干扰,但这通常仅能获得几个dB的衰减。当源和负载阻抗都较低时,这种滤波器是最适合的。L滤波器能产生谐振,因此最好由软铁氧体磁性材料做成(参见下述部分)。由于中存在0.2 pF左右的寄生旁路电容,因此R滤波器在高频时会失去滤波效能。

  C滤波器能产生一个低阻抗来反射干扰,通常用在源和负载阻抗都比较高的场合。通常,C滤波器的性能曲线看起来都是比较理想的,但实际上远不是这样。

  具有较大R值的RC滤波器是比较理想的,因为它不会产生明显的谐振。但当信号频率在几kHz以上,或传输率在kB/s以上的电路中,高R值(最好是取10k左右)是不适合的。

  LC、T和π型滤波器可以有更高的衰减值,但当它们连接到非50的源和负载阻抗的环境中时会发生谐振现象。这个问题可以通过在电感上装入铁氧体来解决。铁氧体在低频(有时可达10MHz左右)时呈电感特性,但在较高的频率处,它们失去了电感特性而表现出电阻特性。铁氧体磁珠在100MHz时的有效阻抗超过1k,但直流时的阻抗则小于0.5,因而在无用频率处呈现高阻状态,在有用频率处呈现低阻状态。现在可以采购到型号众多的SMD铁氧体磁珠来满足各种频谱的需要。

  射频滤波器的一个鲜为人知的特性就是当它不连接到良好的射频参考地时,其效果是很差的。唯一能够作为射频参考地的是PCB上的实心地平面、金属板或金属壳体(“法拉第笼”),理想情况下,在被滤波的最高频率处,它们都不应有大于波长1/100的孔洞(空气中1GHz时3mm,或者在FR4纤维玻璃板中为1.5mm)。

  滤波器中的电容与射频地之间的连线也应小于波长的1/100,同时还要保证电感很低。这就是说,除非在极低的频率下,否则安全地的绿/黄色导线不能作为滤波器地线。例如,如果装有2.2nF的Y型电容的电源线滤波器通过一根10cm长的绿/黄色导线接地,那么,在20MHz以上的频率时,由于地线电感的影响,其Y型电容将失效。

  在估计绿/黄色导线地线的搭接性能时,可以假设导线的电感值约为1nH/mm。滤波器唯一正确的连接是将滤波器壳壁直接与射频地参考面或壳体连接起来。当然,只要有直接的射频地线搭接,那么出于安全考虑,装入绿/黄色导线也未尚不可。

  如果滤波器要安装在PCB板上,其电容必须直接连接到地平面上。如果没有地平面,安装含有电容的滤波器是劳而无功的。如果滤波器安装在一个金属板或屏蔽壳体上,那么它必须是导电连接的,有时甚至有必要在滤波器安装面贴上一圈导电衬垫,以使滤波器壳体与其搭接的金属面间形成无缝隙的射频搭接。

  军用信号滤波器一般属于C和π型,因为多数常见的军事设备都有一个很结实的、设计完善的射频地(金属浇注机箱)。因此,这种场合使用的滤波器一般不会受到射频地不良所带来的影响。

  不过,对民用品、商业用品及工业制品来说,射频地的完整性通常是一个严重的问题,因为得处处考虑产品成本。因此,我发现在这种情况下,性能较好的信号线滤波器一般是RC、LC或T型的,将电阻或电感连接到外部导线上。这将使射频参考地线上的射频电流比C或π型滤波器产生的射频电流小得多。

  如果一条电缆有多束芯线,通常最好的办法是将所有的芯线穿过一个共模扼流圈。如果减小敏感信号之间的串扰十分重要,则可以对芯线中各个信号分别采用共模扼流圈。图5表明用于五芯电缆的五路共模扼流圈的一个例子。表贴共模扼流圈在差不多5mm的正方体壳体内可达八路之多。

  如果电源线滤波器不允许来自数字电路的900MHz的谐波泄漏到电源线中,这时就应考虑滤波器和屏蔽体的优化配合。这些接近微波频率的谐波会使产品的辐射发射加强。

  射频滤波器的另一个鲜为人知的特性就是要将滤波器与屏蔽视为一个整体,两者相辅相成。错误的滤波器结构设计或安装方法很容易使产品辐射发射超标。

  5. 滤波器的结构和安装

  如果欲在高频获得极佳的滤波性能,那么滤波器很容易由于其PCB走线和/或滤波与未滤波分界面上导线的射频泄漏而使其性能发生降级。许多工程技术人员对滤波器周围的射频泄漏疑惑不解,滤波和未滤波走线及导线必须尽可能地彼此远离,而且没有其他走线或导线穿过附近滤波/未滤波的边界线,通常,对滤波器未滤干净的残余泄漏采用屏蔽技术是非常必要的。

  如果外部电缆滤波后进入具有地平面的PCB板或用作射频地的一个工业仪表面板,滤波器应安装在电缆进出PCB板或仪表面板的位置上,并且要直接连接到射频地线上。

  如果外部电缆经滤波后进入屏蔽机柜,滤波器应安装在机柜的壁上,并且要在安装孔的周围一周与柜壁进行导电连接。隔离式滤波器是最好的选择(例如,穿心电容),但一般都比较贵而且难于安装。

  市场上也可以采购某些型号的滤波连接器,比如D型连接器(通常只有1nF的电容,不过磁珠、T和π型滤波器也是有效的)。

  就电源线滤波器(通常适用于0-400Hz的频率,且性能基本不变)来说,面板安装的滤波器通常采用IEC插座。将这种金属外壳的带IEC插座的滤波器安装在屏蔽体上,如果滤波器壳体上没有缝隙,并且按图6所示的办法将它四周电气连接到屏蔽金属件上,可在数十兆赫兹的频率范围内获得较好的性能。有些厂商仅一味追求滤波器能否在传导发射测试频率(达到30MHz)范围内正常工作,这种滤波器的成本较低,但使滤波器的屏蔽完整性受到影响,从而使产品不能通过电磁兼容标准中的辐射发射试验。

图5 屏蔽体上电源线滤波器的安装方法

  在大功率场合中,多数电源线滤波器采用螺钉接线方式,从而使隔离板安装不可能。图5表明镙钉安装的滤波器采用“脏盒”方法,同时用一个外层屏蔽盒将其封装在一个屏蔽的“脏盒”内。即使脏盒中的输入和输出电缆很短而且彼此远离,高频仍然可以泄漏出去,因此需要对某一条电缆或所有电缆套装磁环来解决。

写在最后,做工程师21年,整体感觉是:

1、如果未经过对仪器的EMI、EMS指标测试就选定了滤波器,基本上属于“盲人骑瞎马、夜半临深池”的主儿;

2、如果机器上选择的是一个市面上买来的通用滤波器,这个滤波器基本上是可以不加的;
3、滤波器8分定制、2分通用才算比较靠谱。
下此结论的原因是因为最近遇到的好几起事情,都加了滤波器,但传导就是不过,最后还是根据测试结果给设计了个滤波器样品,一装上ok才算pass,其实设计本身也并不复杂,不过多加了一级差模电容和差模电感、或调整了一下滤波器电感电容的参数而已。通用型的IEC插座滤波器,里面的空间很小,一般只能放得下2个共模电容、一个差模电容和一个共模电感,靠这点东西就能放之四海而皆准,难度莫大焉。
那滤波器应如何选型?
第一种是预知晓(起码是估计)需滤掉的杂波频点或频段和强度,然后提出对滤波频段的衰减要求,将此要求提给厂家,由厂家给您设计一款适用的滤波器。
第二种是先设计产品,结构空间上预留出装滤波器的位置,等产品装好后进行测试,根据测试的结果确定滤波器的滤除频点和衰减特性。
除此二者外,基本上没有其他的方法能有效地选好滤波器。


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