干擾電源濾波器分類 詳解干擾電源濾波器的選型

本文主要介紹了關(guān)于干擾電源濾波器分類的相關(guān)知識，并著重對干擾電源濾波器系列進(jìn)行了描述。

濾波的概念

濾波是信號處理中的一個重要概念，濾波電路的作用是盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。

一般來說，濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。

經(jīng)典濾波是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念，根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。

換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。

在經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波中，濾波器模型其實(shí)是一樣的（硬件方面的濾波器其實(shí)進(jìn)展并不大），但現(xiàn)代濾波還加入了數(shù)字濾波的很多概念。

電源濾波器

電源濾波器的基本原理

電源濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成，它允許直流或50Hz電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此電源濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。

電源濾波器的主要指標(biāo)

當(dāng)我們選用電源濾波器時，應(yīng)主要考慮三個方面的指標(biāo)；首先是電壓/電流，其次是插入損耗，最后是結(jié)構(gòu)尺寸。由于濾波器內(nèi)部一般是經(jīng)過灌封處理的，因此環(huán)境特性不是主要問題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對電源濾波器的環(huán)境特性有一定的影響。

電壓、電流對使用效果的影響

電源有交流直流之分，與此相對應(yīng)，許多廠家的電源濾波器也分為交流和直流兩種。從原理上講，交流電源濾波器既可用在交流電源上，也可在直流電源上使用；但直流電源濾波器不能用在交流的場合，這主要因為直流濾波器中的電容器的耐壓較低，并且有可能其交流損耗較大，導(dǎo)致過熱。即使直流濾波器耐壓沒有問題，由于直流濾波器中使用了容量較大的共模濾波電容器，如果在交流的場合會產(chǎn)生漏電流超標(biāo)的問題。因此，直流電源濾波器絕對不能用在交流的場合。交流濾波器用在直流場合，從安全的角度看沒有問題，但要付出成本和體積的代價；在樣機(jī)階段，如果手頭正好有交流濾波器，可以代替直流濾波器。

當(dāng)電源濾波器的工作電流超過額定電流時，不僅會造成濾波器過熱，而且會導(dǎo)致濾波器的低頻濾波性能降低。這是因為濾波器中的電感在較大電流的情況下，磁芯會發(fā)生飽和現(xiàn)象，使實(shí)際電感量減小。因此，確定濾波器的額定工作電流時，要以設(shè)備的最大工作電流為準(zhǔn)，確保濾波器在最大電流狀態(tài)下具有良好的性能，否則當(dāng)干擾在最大工作電流狀態(tài)下出現(xiàn)時，設(shè)備會受到干擾或傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。

在確定濾波器的額定電流時，要留有一定的余量；特別是人們習(xí)慣上對交流電稱“有效值”，而不是交流電的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般濾波器的額定電流值應(yīng)取實(shí)際電流值的1.5倍。

干擾電源濾波器分類

穿心電容器-饋通濾波器

饋通濾波器常用于移動通訊設(shè)備、雷達(dá)導(dǎo)航等一些高頻處理模塊中，與屏蔽結(jié)構(gòu)體配合，處理輸入或輸出的低頻信號，是其他形式的電容器不能替代的產(chǎn)品。現(xiàn)在電子線路的工作頻率和周圍環(huán)境中的電磁干擾頻率越來越高，將濾波器安裝在線路板上所暴露出的高頻濾波不足的問題比較突出。要想在UHF或更高的頻段獲得更好的濾波效果，特別是保護(hù)屏蔽體不被穿透時，必須使用饋通型濾波器解決。

饋通型濾波器安裝在金屬面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出，因此濾波器具有非常好的高頻濾波效果。饋通濾波器的電路結(jié)構(gòu)分為C型(穿心電容)、L形(一個穿心電容加一個電感)、T形(兩個電感加一個穿心電容)、π形(兩個穿心電容加一個電感)等;濾波器的器件越多，則濾波器的過渡帶越短，阻帶的插入損耗越大。其中C型饋通濾波器一般成為穿心電容器。

穿心電容

任何有引線的電容器的濾波效果都會受到接地電感的限制。如圖1所示，通過將電容器外表面直接用螺紋或焊接的方式接到金屬屏蔽體或面板上構(gòu)成電容器的接地。由于地電流分散在中心導(dǎo)體周圍360°的范圍內(nèi)，實(shí)際上不存在引線電感，電容可以在很高的頻率范圍內(nèi)保持良好的性能。

饋通濾波器的使用方法有以下三種：

1)安裝在屏蔽體(屏蔽盒、屏蔽機(jī)箱等)的面板上。這是最基本的使用方法，當(dāng)有導(dǎo)線要穿過屏蔽體時，就需要在屏蔽體的面板上安裝饋通濾波器，使導(dǎo)線通過饋通濾波器穿過屏蔽體。

2)安裝在線路板的地線層上，可以利用線路板的地線層做隔離層和接地層。

3)安裝在電路之間的隔離板上。

當(dāng)條件不具備，饋通濾波器不能安裝在屏蔽體面板或地線面上時，安裝在金屬隔板上也具有普通電容(包括三端電容)不可比擬的高頻濾波作用。

饋通濾波器有焊接式安裝和螺紋安裝兩種。焊接式安裝的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間，濾波性能可靠。但在將濾波器焊接到面板上時，由于面板的熱容量遠(yuǎn)大于濾波器的熱容量，因此焊接的局部溫度有可能達(dá)到很高，容易造成饋通濾波器損壞。焊接時要注意控制焊接的時間和溫度。螺紋安裝方式簡單易行，可以在面板上打通孔，用螺母將饋通濾波器擰緊;也可以直接在面板上打帶螺紋的孔，將饋通濾波器直接擰在箱體或面板上。安裝時要注意兩點(diǎn)，一是扭矩不能太大，饋通濾波器雖然從外表上看與螺釘一樣堅固，但是由于內(nèi)部時空心的，扭矩過大會造成損壞。二是在安裝時要套上鋸齒墊片，這樣可以保持良好的接觸。

在選用饋通濾波器電路形式時，一般依據(jù)下列情況：

1)對干擾的衰減量：濾波器的器件數(shù)量越多，一般對干擾信號的衰減越大。

2)有用信號與干擾信號在頻率上的差別：有用信號與干擾信號的頻率相差越小，需要濾波器的器件數(shù)量越多。

3)使用濾波器的電路的阻抗：一個基本的原則是，濾波器中的電容對著高阻抗電路，電感對著低阻抗電路。這里的所謂高低，可以50Ω為參考。

EMI抑制鐵氧體鐵氧體隨頻率變化的阻抗分量

EMI抑制

鐵氧體利用鐵氧體(圖2所示)在高頻電磁場中的損耗很大，對干擾能量有較強(qiáng)吸收作用的特點(diǎn)，這種材料廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的干擾抑制方面。由于鐵氧體對高頻波的吸收作用(不是反射)，可以降低電路中電感抑制電路的Q值，減小信號諧振問題。EMI抑制鐵氧體與在低頻或電源中使用的損耗小的電感材料特性正好相反。圖3顯示了在高頻時電阻分量是如何對阻抗特性起決定作用的。

鐵氧體的使用
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將一個鐵氧體磁環(huán)套在導(dǎo)線或電纜上就構(gòu)成了一介簡單、經(jīng)濟(jì)、便于安裝的濾波器，如圖4所示。鐵氧體的作用是將導(dǎo)線周圍的磁場集中起來，從而使導(dǎo)線的電感增加數(shù)百倍。鐵氧體扼流圈的最大好處是它既不需要重新設(shè)計電路，也不需要重新設(shè)計結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)備的改進(jìn)中廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)廠家提供需多種不同內(nèi)徑規(guī)格的分體式鐵氧體，一般內(nèi)徑從5mm～13mm不等。當(dāng)信號線和回流線同時穿過鐵氧體時，鐵氧體對信號(差

模)沒有影響，但會增加共模電流的阻抗。鐵氧體的效果可以通過將電纜在鐵氧體上多繞幾圈或多用幾個鐵氧體來加強(qiáng)。但增加匝數(shù)的改進(jìn)效果受到寄生電容的限制。

鐵氧體的效果隨著頻率的升高而增加。鐵氧體扼流圈的阻抗在10MHz處通常為幾十歐姆，當(dāng)頻率超過100MHz時，阻抗升高到數(shù)百歐姆(具體值取決于形狀和尺寸，鐵氧體體積越大，阻抗越大)。不同廠家的產(chǎn)品或同一廠家的不同種類的鐵氧體，其阻抗隨頻率的變化都有所不同。圖5是尺寸相同(外徑為5mm，長度為11mm)但材料不同的兩種鐵氧體的特性。

由于鐵氧體扼流圈只不過是一個高損耗的電感，因此它只在低阻抗電路中才有作用。在高阻抗電路中使用，其效果很差甚至沒有效果。大部分電路，特別是電纜，其阻抗隨頻率的變化很復(fù)雜，并且通常在10～1,000Ω范圍內(nèi)。因此單個鐵氧體所提供的衰減很有限，一般在10dB左右，很少超過20dB。鐵氧體扼流圈對于降低靜電放電電流脈沖的快速上升率別有效，這種靜電放電干擾可能會感應(yīng)進(jìn)內(nèi)部電纜。瞬態(tài)參量會被鐵氧體所吸收，而不是分流或反射到系統(tǒng)的其它部位。

要充分發(fā)揮鐵氧體的性能，下面一些注意事項十分重要：

1)鐵氧體磁環(huán)(磁珠)的效果與電路阻抗有關(guān)：電路的阻抗越低，則鐵氧體磁環(huán)或磁珠的濾波效果越好。因此，在一般鐵氧體材料的產(chǎn)品手冊中，并不給出鐵氧體材料的插入損耗，而是給出鐵氧體材料的阻抗，鐵氧體材料的阻抗越大，濾波效果也越好。

2)電流的影響：當(dāng)穿過鐵氧體的導(dǎo)線中流過較大的電流時，濾波器的低頻插入損耗會變小，高頻插入損耗變化不大。要避免這種情況發(fā)生，在電源線上使用時，可以將電源線與電源回流線同時穿過鐵氧體。

3)鐵氧體材料的選擇：根據(jù)要抑制干擾的頻率不同，選擇不同磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。鐵氧體材料的磁導(dǎo)率越高，低頻的阻抗越大，高頻的阻抗越小。

4)鐵氧體磁環(huán)的尺寸確定：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線。因此，要獲得大的衰減，在鐵氧體磁環(huán)內(nèi)徑包緊導(dǎo)線的前提下，盡量使用體積較大的磁環(huán)。

5)共模扼流圈的匝數(shù)：增加穿過磁環(huán)的匝數(shù)可以增加低頻的阻抗，但是由于寄生電容增加，高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤。當(dāng)需要抑制的干擾頻帶較寬時，可在兩個磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。

6)電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)：增加電纜上的鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)，可以增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會減小。這是因為寄生電容增加的緣故。

7)鐵氧體磁環(huán)的安裝位置：一般盡量靠近干擾源。對于屏蔽機(jī)箱上的電纜，磁環(huán)要盡量靠近機(jī)箱的電纜進(jìn)出口。與電容式濾波連接器一起使用效果更好：由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于電路的阻抗，電路的阻抗越低，則磁環(huán)的效果越明顯。因此當(dāng)原來的電纜兩端安裝了電容式濾波連接器時，其阻抗很低，磁環(huán)的效果更明顯。

結(jié)語

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