1電磁濾波技術

物理電子學路書祥研究生學位課－電磁兼容上節回顧傳導耦合電磁騷擾源傳播途徑電磁兼容設計電磁干擾分析電磁干擾測試電磁干擾防護基于路徑的方法基于場的計算方法網格法特征線法頻域法有限元邊界元法差分法模擬電荷法接地電磁屏蔽濾波保護設備電器安全電磁輻射人為：核電磁脈沖；電源質量；網絡結構參數變化；靜電等自然：雷電；太陽風暴；輻射等測試方法測試系統測試標準5.1濾波器概述5.2濾波器分類、選用與設計5.3濾波器安裝5.1濾波器概述4切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構成完善的干擾防護。信號濾波器電源濾波器

—作用55.1濾波器概述電磁干擾濾波器，即EMI濾波器，是抑制傳導干擾最有效的手段，它包括信號線濾波器和電源線濾波器：信號線濾波器允許有用信號無衰減通過，同時大幅衰減雜波干擾信號。

電源線濾波器又稱電網濾波器，它以較小的衰減把直流、50Hz、400Hz電源功率傳輸到設備上，而大幅衰減經電源

傳入的EMI信號，保護設備免受傷害。同時其又能抑制設備本身產生的EMI信號，防止其進入電網

污染電磁環境，危害其他設備。6顯然，當時，IL大于零，IL越大，濾波效果越好5.1濾波器概述—評定指標EMI濾波器不同于一般的低通濾波器，二者所關心的指標、使用環境等是截然不同的：普通濾波器關心幅頻特性、相位特性、群延時和波形畸變等；EMI濾波器則更關心插入損耗、能量衰減和截止頻率。從使用環境來看，一般低通濾波器工作電平低、電流小、源端或負載特性單一；而EMI濾波器工作電壓高、電流大并且要能夠承受瞬時大電流的沖擊，其源端和負載特性隨工作環境不同變化較大。這些不同之處使得EMI濾波器的設計不能完全參照一般濾波器設計技術來實現。7頻率范圍寬，過渡帶窄；阻抗不確定，變化范圍寬5.1濾波器概述—特點

85.2濾波器分類9

干擾濾波器多為低通濾波器

因為電磁干擾大多頻率較高的信號，因為頻率越高的信號越容易輻射和耦合

數字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，防止對其它電路產生干擾。

電源線上的雜波有較高頻率較高頻率較高時，雜散電容和電感之間的相互串擾嚴重105.2濾波器分類工作原理是把不需要的頻率成分反射回騷擾源，而讓需要的頻率成分的能量通過濾波器施加于負載。反射式濾波器通常由電抗元件(如電感器、電容器)組合構成無源網絡。在通帶內提供低的串聯阻抗和高的并聯阻抗，而在阻帶內提供高的串聯阻抗和低的并聯阻抗，對騷擾電流建立一個高的串聯阻抗和低的并聯阻抗通路。115.2濾波器設計反射式濾波器

低通濾波器類型12

C

TL反

電容并聯在要濾波的信號線與信號地線之間（濾除差模干擾電流）或信號線與機殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯在要濾波的信號線上。

電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。

不同結構的濾波電路適合于不同的源阻抗和負載阻抗。5.2濾波器設計插入損耗的估算13fco

=1/(2RpC)~Zs、ZL并聯CIL=20lg(CRp)ILIL=20lg(L/Rs)fco

=Rs/(2L）Zs、ZL串聯~ZsLZs

假設電感、電容是理想器件，這是不符合實際情況的

ZLZL5.2濾波器設計實際電容器的特性14ZC理想電容f引線長1.6mm的陶瓷電容器

電容量

諧振頻率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.6

3300pF19.31100pF33680pF42.5330pF60實際電容1/2LCCL電感分量是由引線和電容結構所決定的5.2濾波器設計克服電容非理想性的方法15

大容量

頻率衰減小電容大電容并聯電容小容量

美中不足：在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現電感特性（阻抗隨頻率升高增加），小電容呈現電容特性，實際是一個LC并聯網絡，這個LC并聯網絡在會在某個頻率上發生并聯諧振，導致其阻抗為無限大，這時電容并聯網絡實際已經失去旁路作用。如果剛好在這個頻率上有較強的干擾，就會出現干擾問題。若將大、中、小三種容值的電容并聯起來使用，會有更多的諧振點，濾波器在更多的頻率上失效。

簡單的方案：大小電容并聯，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻。5.2濾波器設計三端電容器16引線電感與電容一起構成了一個T形低通濾波器在引線上安裝兩個磁珠濾波效果更好地線電感起著不良作用三端電容普通電容30702060401GHz

三端電容（比較流行的方法）：一個電極上的兩根引線串聯在需要濾波的導線中。導線電感與電容構成了一個T形濾波器，消除了一個電極上的串聯電感。三端電容比普通電容具有更高的諧振頻率和濾波效果。并可在三端電容兩個相連的引線上套兩個鐵氧體磁主，進一步提高T形濾波器的效果。插入損耗5.2濾波器設計三端電容器的不足17寄生電容造成輸入端、輸出端耦合接地電感造成旁路效果下降

中間的接地線越短越好，避免兩側的引線的平行部分過長，否則高頻濾波效果會打很大折扣。

制約著其高頻效果的兩個因素：寄生電容耦合，接地線的電感。三端電容的濾波效果一般在300MHz以下。5.2濾波器設計穿心電容更勝一籌18金屬板隔離輸入輸出端

一周接地，電感很小

接地電感小：當穿心電容的外殼與面板之間在360°的范圍內連接時，連接電感是很小的。因此，在高頻時，能夠提供很好的旁路作用。輸入輸出沒有耦合：用于安裝穿心電容的金屬板起到了隔離板的作用，使濾波器的輸入端和輸出端得到了有效的隔離，避免了高頻時的電容耦合現象。

5.2濾波器設計穿心電容的插入損耗19穿心電容插入損耗頻率1GHz普通電容理想電容

穿心電容的阻抗接近理想電容，只是在某個頻率會出現一個凹陷。5.2濾波器設計溫度對陶瓷電容容量的影響20125-309030%C0.15-0.150-551255-150-55-10-5COGX7R-6020-300Y5V%C%C

陶瓷電容濾波器是鈦酸鋁等陶瓷材料制成，其工作原理是利用陶瓷材料的壓電效應將電信號轉換為機接信號，再將機接信號轉換為機接電信號。溫度的穩定性差。按美國電工協會（EIA）標準，不同介質材料的MLCC按溫度穩定性分成三類：超穩定級（工類）的介質材料為COG或NPO；穩定級（II類）的介質材料為X7R；能用級（Ⅲ）的介質材料Y5V5.2濾波器設計——陶瓷電容電壓對陶瓷電容容量的影響21COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100

%額定電壓（Vdc）%C5.2濾波器設計實際電感器的特性22

電感量（

H）

諧振頻率

(MHZ)3.4458.828685.7

1252.65001.2f

繞在鐵粉芯上的電感ZL理想電感實際電感1/2LCLC5.2濾波器設計電感寄生電容的來源23每圈之間的電容CTT導線與磁芯之間的電容CTC磁芯為導體時，CTC為主要因素，磁芯為非導體時，CTT為主要因素。5.2濾波器設計磁芯對電感寄生電容的影響24鐵粉芯(非導電）C=4.28pfC=3.48pf19%鐵氧體（錳鋅）C=51pfC=49pf4%

鐵粉芯作磁芯時，由于它不導電，不僅寄生電容很小，而且當將繞線方式改為松散繞制時，電容下降了將近20%。用錳鋅鐵氧體作磁芯時，由于這種材料導電率較高，不僅電容量較大，而且與繞線方式關系不大。5.2濾波器設計

減小電感寄生電容的方法25起始端與終止端遠離（夾角大于40度）盡量單層繞制，并增加匝間距離多層繞制時，采用“漸進”方式繞，不要來回繞。如果磁芯是導體，首先：用介電常數低的材料增加繞組導體與磁芯之間的距離減小分布電容的繞制工藝然后：5.2濾波器設計

電感磁芯的選用26

錳鋅：

r=500~10000，R=0.1~100m鐵粉磁芯：不易飽和、導磁率低，作差模扼流圈的磁芯鐵氧體：最常用鎳鋅：

r=10~100，R=1k~1Mm超微晶：

r>10000，做大電感量共模扼流圈的磁心

空心線圈的電感量很小，使用導磁率較高的材料作磁芯可大大地增加電感量。

5.2濾波器設計

電感量與飽和電流的計算27SD1D2飽和電流：

Imax=BmaxS(D1-D2)/2L電感量：

L（nH）=0.2N2

rS(mm)ln(D1/D2)電感量廠家手冊給出廠家經常給出每匝的電感量“AL”，則L（nH）=AL

N2當電感磁芯發生飽和時，電感量變小，失去對干擾的抑制作用。若額定電流大于飽和電流（Imax），就會發生飽和，需要調整磁芯的尺寸，使額定電流小于Imax

5.2濾波器設計吸收式濾波器吸收式濾波器是由有耗器件構成的，在阻帶內吸收躁聲的能量轉化為熱損耗，從而起到濾波作用。鐵氧體吸收型濾波器是目前應用發展很快的一種低通濾波器。鐵氧體是一種由鐵、鏡、鋅氧化物混合而成，具有很高的電阻率，較高的磁導率(約為100一1500)磁性材料。低頻電流可以幾乎無衰減地通過鐵氧體，高頻電流卻會受到很大的損耗，轉變成熱量散發。它可以等效為電阻和電感的串聯。電阻值和電感量都是隨著頻率而變化的285.2濾波器設計鐵氧體的相對導磁常數29磁性體材料誘電體材料High電

/High磁

材料e

100100101101102102103103104104105105

相對導磁常數:ur相對介電常數5.2濾波器設計鐵氧體濾波機理30Z(f）Z(f)

RZL

在低頻，磁芯的磁導率較高，磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感。高頻：阻抗由電阻成分構成。隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加。當高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。

5.2濾波器設計315.2濾波器設計

電源線濾波器32電源線的傳導騷擾電壓5.2濾波器設計335.2濾波器設計

共模干擾和差模干擾34

相－中/中－地＝共模電流，相－中＝差模電路

可看作獨立干擾來研究5.2濾波器設計35源端負載端5.2濾波器設計365.2濾波器設計375.2濾波器設計385.2濾波器設計395.2濾波器設計405.2濾波器設計415.3濾波器安裝425.3濾波器安裝信號濾波器的安裝位置43板上濾波器無屏蔽的場合濾波器靠近被濾波導線的靠近器件或線路板一端。有屏蔽的場合：在屏蔽界面上5.3濾波器安裝板上濾波器的注意事項44濾波器要并排安裝線路板的干凈地與金屬機箱或大金屬板緊密搭接為濾波設置干凈地在接口處設置檔板濾波器靠近接口5.3濾波器安裝面板上濾波的簡易（臨時）方法45容量適當的瓷片電容或獨石電容，引線盡量短5.3濾波器安裝電纜濾波的方法46連接器屏蔽盒饋通濾波器5.3濾波器安裝面板安裝濾波器注意事項47濾波器與面板之間必須使用電磁密封襯墊！5.3濾波器安裝

使用

形濾波器的注意事項48濾波器接地阻抗預期干擾電流路徑實際干擾電流路徑5.3濾波器安裝

開