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1、E EMMC C- -51电磁滤波技术电磁滤波技术 电气工程系电气工程系 江滨浩教授江滨浩教授研究生学位课电磁兼容研究生学位课电磁兼容（6 6）E EMMC C- -52滤波器的作用切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。信号滤波器电源滤波器E EMMC C- -53 滤波器分类E EMMC C- -54E EMMC C- -55显然，当显然，当 时，时，IL大于零，大于零，IL越大，滤波效果越越大，滤波效果越好好E EMMC C- -56n频率范围宽n 阻抗不确定频率范围宽，过渡带窄；频率范围宽，过渡带窄； 阻抗不确定，变化范围宽阻抗不确定，变化范围宽E EMMC
2、C- -57E EMMC C- -58 干扰滤波器多为低通滤波器干扰滤波器多为低通滤波器 因为因为q电磁干扰大多频率较高的信号，因为频率越高的信号电磁干扰大多频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合越容易辐射和耦合q 数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必须滤除，防止对其它电路产生干扰。必须滤除，防止对其它电路产生干扰。q 电源线上的杂波有较高频率较高电源线上的杂波有较高频率较高q频率较高时，杂散电容和电感之间的相互串扰严重频率较高时，杂散电容和电感之间的相互串扰严重E EMMC C- -59 反射式滤波器反射式滤波器q工作原理是把
3、不需要的频率成分反射回骚工作原理是把不需要的频率成分反射回骚扰源，而让需要的频率成分的能量通过滤扰源，而让需要的频率成分的能量通过滤波器施加于负载。波器施加于负载。 q反射式滤波器通常由电抗元件反射式滤波器通常由电抗元件( (如电感器、如电感器、电容器电容器) )组合构成无源网络组合构成无源网络。q在通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻在通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在阻带内提供高的串联阻抗和低的抗，而在阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，对骚扰电流建立一个高的串联并联阻抗，对骚扰电流建立一个高的串联阻抗和低的并联阻抗通路阻抗和低的并联阻抗通路。E EMMC C- -510 低通滤波
4、器类型低通滤波器类型CTL反q 电电容容并并联联在在要要滤滤波波的的信信号号线线与与信信号号地地线线之之间间（滤滤除除差差模模干干扰扰电电流流）或或信信号号线线与与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流），电感串联在要滤波的信号线上。机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流），电感串联在要滤波的信号线上。q 电电路路中中的的滤滤波波器器件件越越多多，则则滤滤波波器器阻阻带带的的衰衰减减越越大大，滤滤波波器器通通带带与与阻阻带带之之间间的的过渡带越短。过渡带越短。q 不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。E EMMC C- -511插入损耗的估算插
5、入损耗的估算 fco = 1/(2 Rp C)Zs、ZL并联并联CIL = 20 lg( CRp)ILIL = 20 lg( L/Rs) fco = Rs/(2 L）Zs、ZL串联串联ZsLZs 假设电感、电容是理想器件，这是不符合实际情况的假设电感、电容是理想器件，这是不符合实际情况的 ZLZLE EMMC C- -512实际电容器的特性实际电容器的特性ZC理想电容f引线长的陶瓷电容器 电容量 谐振频率(MHZ) 1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 60实际电容1/2 LCCL电感分量是由
6、引线和电容结构所决定的电感分量是由引线和电容结构所决定的E EMMC C- -513克服电容克服电容非非理想性的方法理想性的方法 大大容容量量 频率频率衰减衰减小电容大电容大电容并联电容小容量小容量v 美美中中不不足足：在在大大电电容容的的谐谐振振频频率率和和小小电电容容的的谐谐振振频频率率之之间间，大大电电容容呈呈现现电电感感特特性性（阻阻抗抗随随频频率率升升高高增增加加），小小电电容容呈呈现现电电容容特特性性，实实际际是是一一个个LC并并联联网网络络，这这个个LC并并联联网网络络在在会会在在某某个个频频率率上上发发生生并并联联谐谐振振，导导致致其其阻阻抗抗为为无无限限大大，这这时时电电容容
7、并并联联网网络络实实际际已已经经失失去去旁旁路路作作用用。如如果果刚刚好好在在这这个个频频率率上上有有较较强强的的干干扰扰，就就会会出出现现干干扰扰问问题题。若若将将大大、中中、小小三三种种容容值值的的电电容容并并联联起起来来使用，会有更多的谐振点，滤波器在更多的频率上失效。使用，会有更多的谐振点，滤波器在更多的频率上失效。 简单的方案简单的方案：大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电容抑制高频。：大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电容抑制高频。E EMMC C- -514 三端电容器的原理三端电容器的原理引线电感与电容一引线电感与电容一起构成了一个起构成了一个T形形低通滤波器低通滤波器在引
8、线上安装两个在引线上安装两个磁珠滤波效果更好磁珠滤波效果更好地线电感起地线电感起着不良作用着不良作用三端电容普通电容普通电容 30 702060401GHzq 三三端端电电容容（比比较较流流行行的的方方法法）：一一个个电电极极上上的的两两根根引引线线串串联联在在需需要要滤滤波波的的导导线线中中。导导线线电电感感与与电电容容构构成成了了一一个个T形形滤滤波波器器，消消除除了了一一个个电电极极上上的的串串联联电电感感。三三端端电电容容比比普普通通电电容容具具有有更更高高的的谐谐振振频频率率和和滤滤波波效效果果。并并可可在在三三端端电容两个相连的引线上套两个铁氧体磁主，进一步提高电容两个相连的引线上
9、套两个铁氧体磁主，进一步提高T形滤波器的效果。形滤波器的效果。插入损耗插入损耗E EMMC C- -515 三端电容器的不足寄生电容造成输入寄生电容造成输入 端、输出端耦合端、输出端耦合接地电感造成旁接地电感造成旁路效果下降路效果下降q 中间的接地线越短越好，中间的接地线越短越好，避免两侧的引线的平行部分避免两侧的引线的平行部分过长，否则高频滤波效果会过长，否则高频滤波效果会打很大折扣。打很大折扣。 q 制制约约着着其其高高频频效效果果的的两两个个因因素素：寄寄生生电电容容耦耦合合，接接地地线线的的电电感感。三三端端电电容容的的 滤滤 波波 效效 果果 一一 般般 在在300MHz以下。以下。
10、E EMMC C- -516 穿心电容更胜一筹金属板隔离输金属板隔离输入输出端入输出端 一周接地，一周接地，电感很小电感很小q 接接地地电电感感小小：当当穿穿心心电电容容的的外外客客与与面面板板之之间间在在360的的范范围围内内连连接接时时，连连接接电电感感是很小的。因此，在高频时，能够提供很好的旁路作用。是很小的。因此，在高频时，能够提供很好的旁路作用。q 输入输出没有耦合：用于安装穿心电容的金属板起到了隔离板的作用，使滤波输入输出没有耦合：用于安装穿心电容的金属板起到了隔离板的作用，使滤波器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避免了高频时的电容耦合现象。器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避
11、免了高频时的电容耦合现象。 E EMMC C- -517穿心电容的插入损耗穿心电容的插入损耗穿心电容穿心电容插入损耗插入损耗频率频率1GHz普通电容普通电容理想电容理想电容q 穿穿心心电电容容的的阻阻抗抗接接近近理理想想电电容容，只是在某个频率会出现一个凹陷。只是在某个频率会出现一个凹陷。E EMMC C- -518温度对陶瓷电容容量的影响温度对陶瓷电容容量的影响125-309030% C0.15-0.150-551255-150-55-10-5COGX7R-6020-300Y5V% C% Cq 陶瓷电容滤波器是钛酸铝等陶瓷材料制成，其工作原理是陶瓷电容滤波器是钛酸铝等陶瓷材料制成，其工作原理
12、是利用陶瓷材料的压电效应将电信号转换为机接信号，再将机利用陶瓷材料的压电效应将电信号转换为机接信号，再将机接信号转换为机接电信号。温度的稳定性差接信号转换为机接电信号。温度的稳定性差。E EMMC C- -519电压对陶瓷电容容量的影响电压对陶瓷电容容量的影响COGX7RY5V200-20-40-60-800 20 40 60 80 100 %额定电压（额定电压（Vdc）% CE EMMC C- -520实际电感器的特性 电感量电感量 （ H） 谐振频率谐振频率 (MHZ) 3.4 45 8.8 28 68 5.7 125 2.6 500 1.2f 绕在铁粉芯上的电感绕在铁粉芯上的电感ZL理想
13、电感实际电感1/2 LCLCE EMMC C- -521电感寄生电容的来源电感寄生电容的来源每圈之间的电容每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容导线与磁芯之间的电容CTC磁芯为导体时，磁芯为导体时，CTC为主要因素，为主要因素，磁芯为非导体时，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。为主要因素。E EMMC C- -522磁芯对电感寄生电容的影响磁芯对电感寄生电容的影响铁粉芯铁粉芯(非导电）非导电） C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 铁氧体（锰锌）铁氧体（锰锌） C = 51pf C = 49pf 4%q 铁铁粉粉芯芯作作磁磁芯芯时时，由由于于它它不不导导电电，不不仅仅寄寄生生
14、电电容容很很小小，而而且且当当将将绕绕线线方方式式改改为为松松散绕制时，电容下降了将近散绕制时，电容下降了将近20%。q 用用锰锰锌锌铁铁氧氧体体作作磁磁芯芯时时，由由于于这这种种材材料料导导电电率率较较高高，不不仅仅电电容容量量较较大大，而而且且与与绕绕线方式关系不大。线方式关系不大。E EMMC C- -523 减小电感寄生电容的方法然后：然后：起始端与终止端远离（夹角大于起始端与终止端远离（夹角大于40度）度）尽量单层绕制，并增加匝间距离尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时，多层绕制时， 采用采用“渐进渐进”方式绕，不要来回绕。方式绕，不要来回绕。如果磁芯是导体，首先：如果磁芯是导体，
15、首先： 用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离E EMMC C- -524E EMMC C- -525 电感磁芯的选用电感磁芯的选用 锰锌：锰锌： r = 500 10000，R = 0.1100 m铁粉磁芯：不易饱和、铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低导磁率低，作差模扼流圈的磁芯，作差模扼流圈的磁芯铁氧体：最常用铁氧体：最常用镍锌：镍锌： r = 10 100，R = 1k 1M m超微晶：超微晶： r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心，做大电感量共模扼流圈的磁心v 空心线圈的电感量很小，使用导磁率空心线圈的电感量很小，使用导磁率较高的材
16、料作磁芯可大大地增加电感量。较高的材料作磁芯可大大地增加电感量。 E EMMC C- -526 电感量与饱和电流的计算电感量与饱和电流的计算SD1D2饱和电流： Imax = Bmax S (D1-D2)/2L电感量： L （nH）= 0.2 N2 r S(mm) ln (D1/D2)电感量电感量厂家手册给出厂家手册给出 厂家经常给出每匝的电感量厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则，则 L （nH）= AL N2 当当电电感感磁磁芯芯发发生生饱饱和和时时，电电感感量量变变小小，失失去去对对干干扰扰的的抑抑制制作作用用。若若额额定定电电流流大大于于饱饱和和电电流流（I Imax），就就会会发发生
17、生饱饱和和，需要调整磁芯的尺寸，使额定电流小于需要调整磁芯的尺寸，使额定电流小于I Imax E EMMC C- -527吸收式滤波器吸收式滤波器q吸吸收收式式滤滤波波器器是是由由有有耗耗器器件件构构成成的的，在在阻阻带带内内吸吸收收躁躁声声的的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。q铁铁氧氧体体吸吸收收型型滤滤波波器器是是目目前前应应用用发发展展很很快快的的一一种种低低通通滤滤波波器器。铁铁氧氧体体是是一一种种由由铁铁、镜镜、锌锌氧氧化化物物混混合合而而成成，具具有有很很高高的的电电阻阻率率，较较高高的的磁磁导导率率( (约约为为100100一一1500)
18、1500) 磁磁性性材材料料。低低频频电电流流可可以以几几乎乎无无衰衰减减地地通通过过铁铁氧氧体体，高高频频电电流流却却会会受受到到很很大大的的损损耗耗，转转变变成成热热量量散散发发。它它可可以以等等效效为为电电阻阻和和电电感的串联。电阻值和电感量都是随着频率而变化的感的串联。电阻值和电感量都是随着频率而变化的E EMMC C- -528铁氧体的铁氧体的相对导磁常数相对导磁常数磁性体材料诱电体材料High 电 / High 磁 材料材料e 100100101101102102103103104104105105 相对导磁常数: ur相对介电常数E EMMC C- -529铁氧体滤波机理铁氧体滤
19、波机理 Z(f）Z(f)RZLq 在在低低频频，磁磁芯芯的的磁磁导导率率较较高高，磁磁芯芯的的损损耗耗较较小小，整整个个器器件件是是一个低损耗、高一个低损耗、高Q特性的电感。特性的电感。q 高频：阻抗由电阻成分构成。随着频率升高，磁芯的磁导率降高频：阻抗由电阻成分构成。随着频率升高，磁芯的磁导率降低，磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高低，磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。 E EMMC C- -530E EMMC C- -531E EMMC C- -532 电源线滤波
20、器电源线的传导骚扰电压电源线的传导骚扰电压E EMMC C- -533E EMMC C- -534 共模干扰和差模干扰p 相中相中/中地共模电流，中地共模电流，相中差模电路相中差模电路p 可看作独立干扰来研究可看作独立干扰来研究E EMMC C- -535源源端端负负载载端端E EMMC C- -536E EMMC C- -537E EMMC C- -538E EMMC C- -539E EMMC C- -540E EMMC C- -541E EMMC C- -542E EMMC C- -543信号滤波器的安装位置信号滤波器的安装位置板上滤波器板上滤波器无屏蔽的场合无屏蔽的场合滤波器靠近被滤波
21、导线的靠近器件或线路板一端。有屏蔽的场合：在屏蔽界面上有屏蔽的场合：在屏蔽界面上E EMMC C- -544板上滤波器的注意事项板上滤波器的注意事项滤波器要并排安装滤波器要并排安装线路板的干净地与金属机线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接箱或大金属板紧密搭接为滤波设置干净地为滤波设置干净地在接口处设置档板在接口处设置档板滤波器靠近接口滤波器靠近接口E EMMC C- -545面板上滤波的简易（临时）方法容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短E EMMC C- -546电缆滤波的方法电缆滤波的方法连接器连接器屏蔽盒屏蔽盒馈通滤波器馈通滤波器E EM
22、MC C- -547面板安装滤波器注意事项面板安装滤波器注意事项滤波器与面板之滤波器与面板之间必须使用电磁间必须使用电磁密封衬垫！密封衬垫！E EMMC C- -548 使用使用 形滤波器的注意事项形滤波器的注意事项滤波器接地阻抗滤波器接地阻抗预期干扰电流路径预期干扰电流路径实际干扰电流路径实际干扰电流路径E EMMC C- -549 开关电源噪声开关电源噪声q原因：非线性和开关工作模式原因：非线性和开关工作模式,v50Hz的奇次谐波（的奇次谐波（1、3、5、7 ）非线性非线性v开关频率的基频和谐波（开关频率的基频和谐波（1MHz以下差模为主，以下差模为主，1MHz以上共模为主）以上共模为主）
23、p 开关电源工作时，在电源线上既会在产生很强的共模干开关电源工作时，在电源线上既会在产生很强的共模干 扰，也会产生很强的差模干扰扰，也会产生很强的差模干扰. E EMMC C- -550电源线滤波器的基本电路电源线滤波器的基本电路共模扼流圈共模扼流圈差模电容差模电容共模电容共模电容共模滤波电容受到漏电流的限制共模滤波电容受到漏电流的限制E EMMC C- -551电源线滤波器的特性电源线滤波器的特性一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。越来越受到关注越来越受到关注损耗频率频率理想滤波器特性理想滤波器特性实际滤波器特性实际滤波器特性30MHzE EMMC C- -552 电源线滤波器
24、的错误安装电源线滤波器的错误安装PCB滤波器滤波器输入线过长输入、输出耦合PCBE EMMC C- -553E EMMC C- -554 电源线滤波器的错误安装电源线滤波器的错误安装滤波器绝缘漆PCB滤波器通过细线接地，高频效果很差！接地线E EMMC C- -555滤波器的正确安装滤波器的正确安装滤波器PCB电源PCB滤波电路E EMMC C- -556高频滤波性能的重要性高频滤波性能的重要性滤波器高频性能差滤波器高频性能好无滤波E EMMC C- -557 滤波器安装在线路板的问题滤波器安装在线路板的问题电源线泄漏严重电源线泄漏严重机箱内干扰机箱内干扰E EMMC C- -558 线路板上滤波的改进方法线路板上滤波的改进方法电源线无泄漏电源线无泄漏机箱内干扰机箱内干扰被滤波器挡住被滤波器挡住被滤波器旁路掉被滤波器旁路掉面板滤波器面板滤波器
