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1、电磁兼容设计中的滤波技术摘要：电磁兼容可通过将干扰抑制于扰乱电子系统或子系统正常工作的电平以下来实现，这种兼容一般通过采用滤波器及将元件或设备屏蔽而获得，而本文主要介绍电磁兼容设计中的滤波技术。从滤波器的作用、基本原理以及其分类方面做了简要的叙述。关键字：电磁兼容，滤波器，滤波技术，共模，差模任何电子设备或电子系统的设计都应包括电磁兼容设计。在设计阶段就考虑电磁兼容。对于滤波技术来说，为了满足EMC标准规定的CE和CS（传导敏感度）极限值要求，使用EMI滤波器是一种好方法。通常要采用某种形式的滤波以降低电源线及信号线的发射，滤波器衰减决定于源及负载阻抗。即若滤波器与源、负载阻抗不匹配，将会产生
2、最小的传输信号（EMI）功率。另外还要考虑电磁干扰是共模还是差模。共模是指两导体上的对地参考噪声电压，差模是指一个导体相对另一个导体的电压，一般情况下两种电磁干扰都需要衰减。1滤波器的作用由电磁屏蔽技术我们知道，任何直接穿透屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的失效。在实际中，很多出现屏蔽问题的机箱（机柜）就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败，这是缺乏电磁兼容经验的设计师感到困惑的典型问题之一。解决这个问题的有效方法之一是在电缆的端口处使用滤波器，滤除电缆上不必要的频率成份，即可以减小电缆产生的电磁辐射，也可以防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内部。概括得说：滤波器的作用是仅允许工作必须的
3、信号频率通过，而对工作不必要的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减小为最少。从电磁兼容的角度考虑，电源线也是一个穿过机箱的导体，它对设备电磁兼容性的影响与信号线是相同的。因此电源线上必须安装滤波器。特别是近年来开关电源广泛应用，开关电源的特征除了体积小、效率高、稳压范围宽外，强烈的电磁干扰发射也是一大特征，电源线上如果不安装滤波器，就没有可能满足电磁兼容的要求。安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器。之所以这样划分，主要是两者除了都有对电磁干扰有足够大的抑制作用外，分别还有一些特殊的考虑：（）信号滤波器要考虑滤波器不能对工作信号有严
4、重的影响，不能造成信号的失真。（）电源滤波器除了要保证满足滤波的要求外，还要注意当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和（导致滤波器性能下降）。 2 滤波器的基本原理 滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，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，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理有三种： （）利用电容通过高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）； （）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源； （）利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量
5、的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。 3 干扰滤波器的种类 根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。 低通滤波器是最常用的一种，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。如在数字设备中，脉冲信号有丰富的高次谐波，这些高次谐波并不是电路工作所必需的，但它们却是很强的干扰源。因此在数字电路中，常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作最低频率。电源线滤波器也是低通滤波器，它仅允许的电流通过，对其它高频干扰信号有很大的衰减。 4 电源
6、线上干扰的类型 电源线上的干扰电流按照其流动路径可以分为两类：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，共模干扰电流是在火线、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。 共模干扰一般是由来自外界或电路其它部分的干扰电磁波在电缆与“地”的回路中感应产生的，有时由于电缆两端的接“地”电位不同，也会产生共模干扰。它对电磁兼容的危害很大，一方面，共模干扰会使电缆线向外发射出强烈的电磁辐射，干扰电路的其它部分或周边电子设备；另一方面，如果电路不平衡，在电缆中不同导线上的共模干
7、扰电流的幅度、相位发生差异时，共模干扰则会转变成差模干扰，将严重影响正常信号的质量，所以人们都在努力抑制共模干扰。差模干扰主要是电路中其它部分产生的电磁干扰经过传导或耦合的途径进入信号线回路，如高次谐波、自激振荡、电网干扰等。由于差模干扰电流与正常的信号电流同时、同方向在回路中流动，所以它对信号的干扰是严重的，必须设法抑制。综上所述可 知，为了达到电磁兼容的要求，对共模干扰和差模干扰都应设法抑制。 5 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。但是所使
8、用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影响。 （1） 电压、电流对使用效果的影响:电源有直流和交流之分。从原理上讲，交流电源线滤波器既可用在交流电源上，也可以在直流电源上使用。但直流电源线滤波器不能用在交流的场合。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。 （2） 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。其定义是：插入损耗（IL）=20lg（E0/E1）（ dB）（ E0）没有滤波器时测得的信号电平；E1有滤波器时测得的信号电平)。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。 （3）影响电
9、源线滤波器外形尺寸的因素：滤波器的体积主要是由滤波电路中的电感所决定，电感线圈的体积越大，滤波器的体积也越大。 6 电源滤波器高频插入损耗的重要性 尽管各种电磁兼容标准中关于传导发射的限制仅到（旧军标到，新军标到），但是对传导发射的抑制绝不能忽略高频的影响。因为，电源线上高频传导电流会导致辐射，使设备的辐射发射超标。另外，瞬态脉冲敏感度试验中的试验波形往往包含了很高的频率成份，如果不滤除这些高频干扰，也会导致设备的敏感度试验失败。电源线滤波器的高频特性差的主要原因有两个，一个是内部寄生参数造成的空间耦合，另一个是滤波器件的不理想性。因此，改善高频特性的方法也是从这两个方面着手。 内部结构：滤波
10、器的连线要按照电路结构向一个方向布置，在空间允许的条件下，电感与电容之间保持一定的距离，必要时，可设置一些隔离板，减小空间耦合。 电感：按照前面所介绍的方法控制电感的寄生电容。必要时，使用多个电感串联的方式。 差模滤波电容：电容的引线要尽量短。要理解这个要求的含义：电容与需要滤波的导线（火线和零线）之间的连线尽量短。如果滤波器安装在线路板上，线路板上的走线也会等效成电容的引线。这时，要注意保证时机的电容引线最短。 共模电容：电容的引线要尽量短。对这个要求的理解和注意事项同差模电容相同。但是， 滤波器的共模高频滤波特性主要靠共模电容保证，并且共模干扰的频率一般较高，因此共模 滤波电容的高频特性更
11、加重要。使用三端电容可以明显改善高频滤波效果。但是要注意三端电容的正确使用方法。即，要使接地线尽量短，而其它两根线的长短对效果几乎没有影响。必要时可以使用穿心电容，这时，滤波器本身的性能可以维持到Hz以上。 特别提示：当设备的辐射发射在某个频率上不满足标准的要求时，不要忘记检查电源线在这个频率上的共模传导发射，辐射发射很可能是由这个共模发射电流引起的。 7 电源滤波器的安装问题 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。 （）电源输入线不应过长：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
12、过滤波器，就通过空间耦合到线路板上，对电路造成干扰。而设备内部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。 （）安装位置：大部分设备的电源输入口安装在设备的后面板，而电源开关、指示灯等元器件安装在设备的前面板，这样电源线进入设备后面板后，先连接到前面板，然后再连接到滤波器上。这时，尽管滤波器距电源线入口很近，会使滤波器旁路掉。 8 宽带滤波的方案 要彻底解决宽带滤波的问题应该使用穿心电容，穿心电容实质上是一种三端电容，一个电极与芯线相连，另一个电极与外壳相连，使用时，一个电极通过焊接或螺装的方式直接安装在金属面板上，需要滤波
13、的信号线连接在芯线的两端。穿心电容的滤波范围可以达到数GHz以上。之所以具有这样的特性，是因为以下两个原因： （1）接地电感小：当穿心电容的外壳与面板之间在360的范围内连接时，连接电感是很小的。因此，在高频时，能够提供很好的旁路作用。 （2）输入输出没有耦合：用于安装穿心电容的金属板起到隔离板的作用，使滤波器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避免了高频时的耦合现象。 使用注意事项：穿心电容在受到高温焊接和温度冲击时，容易损坏，或降低可靠性。为了满足电子设备小型化的要求，穿心电容的体积越来越小。在将穿心电容焊接到面板上时，由于穿心电容与面板的热容量相差很大，会造成焊接局部温度过高，电容损坏。因
14、此，当在大批量产品生产中使用穿心电容时，要请电容厂家协助设计焊接工艺。现在许多厂家开始提供焊接好的穿心电容阵列板。最好直接使用这种阵列板。 9 信号滤波器的滤波性能 信号滤波器的滤波性能是选用信号滤波器时的关键指标，滤波器的截止频率必须高于电缆上要传输的信号频率；滤波器3dB插入损耗所对应的频率为截止频率。订购产品时用滤波代码来表征滤波特性。根据具体情况，可以用三种方法确定截止频率: 模拟信号：信号的频率要低于截止频率。 脉冲信号：若上升/下降时间为tr，则1/tr小于截止频率。若脉冲信号的重复频率是，则小于截止频率。 10 信号滤波器的安装位置 信号滤波器的主要作用是滤除电缆端口上的干扰电流
15、。既防止设备内的噪声电流传导到电缆上，借助电缆辐射；也防止外界干扰在电缆上感应的噪声电流传入设备。一般情况下，为了满足电磁兼容标准的要求，非屏蔽电缆的端口上必须安装滤波器，否则难以达到要求。 （）板上滤波器：这种滤波器安装在线路板上。优点是经济，缺点是高频滤波效果欠佳。 这主要是由于三个原因，一个是滤波器的输入、输出之间没有隔离，容易发生耦合；第二个是滤波器的接地阻抗不是很低，削弱了高频旁路效果；第三个原因是滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用。 （）馈通滤波器：这种滤波器直接安装在屏蔽机箱上的金属隔离板上，由于直接安装在金属隔离板上，滤波器的输入、输出之间完全隔离，接地良好，电缆上的干扰在机箱端口上被滤除，因此滤波效果十分理想。缺点是安装需要一定的结构配合，这必须在设计初期进行考虑。 ）滤波连接器：这是一种使用十分方便、性能十分优越的器件。外形与普通的连接器一样，可以直接替换。它的每根插针或孔上有一个低通滤波器。低通滤波器可以是简单的单电容电路，也可以是较复杂的电路。 11 参考文献： 1、闻映红等译电磁兼容导论（第2版） 人民邮电出版社2007年 2、刘亚宁，电磁生物反应 北京：北京邮电大学出版社，2002
