电源滤波器的设计..

第5章 电磁干扰滤波器
刘 洋 应用物理教研室
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滤波器的特性
• 滤波是抑制传导干扰的一种重要方法 • 采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。 • 滤波器是由集中参数或分布参数的电阻、 电感和电容构成的一种网络。
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电磁兼容滤波器设计是电磁兼容设计工程中的一 个非常重要的环节。有时候设计的滤波器性能如 何会决定整个电器设备是否能够正常工作。但因 为电磁兼容滤波器的设计涉及的知识面非常广， 设计出一个性能较好的滤波器并不是一件容易的 事情。
由于电磁干扰滤波器的作用是抑制干扰信号的通 过，所以它与常规滤波器有很大的不同。 (1) 电磁干扰滤波器应该有足够的机械强度、安 装方便、工作可靠、重量轻、尺寸小及结构简单 等优点。
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(2) 电磁干扰滤波器对电磁干扰抑制的同时，能 在大电流和电压下长期工作，对有用信号消耗要 小，以保证最大传输效率。 (3) 由于电磁干扰的频率是20Hz到几十GHz，故 难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路。 (4) 要求电磁干扰滤波器在工作频率范围内有比 较高的衰减性能。 (5) 干扰源的电平变化幅度大，有可能使电磁干 扰滤波器出现饱和效应。 (6) 电源系统的阻抗值与干扰源的阻抗值变化范 围大，很难得到使用稳定的恒定值，所以电磁干 扰滤波器很难工作在阻抗匹配的条件下。
5.1 干扰的分类
5.1.1 按噪声产生的原因分类 放电噪声
主要是因为雷电、静电、电动机的电刷跳动、大 功率开关触点断开等放电产生的噪声。
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高频振荡噪声
主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直 流—交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。
浪涌噪声
主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电 流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等 设备产生涌流引起的噪声。 这些干扰对微机测控系统都有严重影响，必须认 真对待，而其中尤以各类开关通、断电时所产生 的干扰最难以抑制或消除。
5.1.3 按噪声波形及性质分类 持续正弦波
持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示，是一 种典型的周期噪声。最常见的该类噪声就是50Hz 的工频噪声。这种噪声出现在直流电源上表现为 纹波，出现在声音信号中，表现为惹人烦的交流 声，出现在视频影像信号中，为横条干扰。
偶发脉冲电压波形
这种噪声多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽 度以及能量等特征值表示。例如雷击波、接点分 断电压负载和静电放电等波形。该类噪声周期性 不明显，在通信信号中，容易引起突发误码。
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5.2.3 滤波器的主要特性
滤波器最主要的特性参数有额定电压、额定电流、 频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频 率特性等。 额定电压 指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器 的电压过高，会使内部电容损坏。 额定电流 指在额定电压和规定环境温度条件下，滤波器所 允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高其 允许的工作电流越小。同时，工作电流还与频率 有关：工作频率越高，其允许电流越小。
U o ( j ) 衰减系数= 20 lg (单位dB) U i ( j )
式中：U o —— 滤波器的输出信号， 滤波器的输入信号， U—— i —— 信号的角频率。
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5.2.4 滤波器的分类 按滤波器的作用对象分类
根据滤波器的作用对象可以分为电源滤波器和信 号滤波器。
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滤波器的分类
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频率特性
滤波器的频率特性是描述其抑制干扰能力的参数， 通常用中心频率、截止频率以及上升和下降斜率 表示。
输入输出阻抗
从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤 波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。选择 滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。
插入损耗
描述滤波器性能的最主要参量是插入损耗，插入 损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的 定义是:
因此，当发现常模噪声时，首先考虑它是否由于 线路不平衡状态而从共模噪声转化来的。通常， 输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共 模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多 为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、 接地和隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕 共模噪声来研究其有效的抑制措施。
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脉冲列
脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉冲 宽度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点 分断电感负载和接电反复重燃过电压等。该类噪 声呈现一定的周期性，能量较大，一般较难消除。 噪声中的主要能量是由干扰引起的。 • 消除有用信号中的噪声，从根本上来说，就是要 消除或降低干扰对电路的影响。我们可以针对不 同的噪声类型，设计或选用不同的防干扰滤波器。
共模噪声
又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。如下 图所示，噪声侵入线路和地线间。噪声电流在两 条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号 电流只在往返两条线路中流过。形成这种干扰电 流的原因有3个，一个是外界电磁场在电缆中的所 有导线上感应出来电压(这个电压相对于大地是等 幅同相的)，这个电压产生电流；另一个原因是由 于电缆两端的设备所接的地电位不同所致，
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5.1.2 按噪声传导模式分类
对于传导噪声，按其传导模式分为差模噪声和共 模噪声。
差模噪声
又称线间感应噪声或对称噪声。有些书中也称其 为串模噪声或常模噪声、横向噪声等。如下图所 示，噪声往返于两条线路间，N为噪声源，R为受 扰设备，UN为噪声电压，噪声电流IN和信号电流 IS的路径在往返两条线上是一致的。
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低通滤波器 ：它是最常用的一种电磁兼
容滤波器，主要用在干扰信号频率比工作 信号频率高的场合。电源线滤波器也是低 通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对 其他高频干扰信号有很大的衰减。低通滤 波器的频率特性如下图所示，其中ωC为截 止频率。
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5.2.6 低通滤波器的分类
常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的， 电容并联在滤波器的信号线与信号地线之间(滤除 差模干扰电流)或信号线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。 按照电路结构分，有单电容型(C型)、单电感型(L 型)、Γ型和反Γ型、T型和Π型。不同结构的滤波 电路主要有两点不同： (1) 电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰 减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。
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(2) 不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和 负载阻抗。
电容滤波器
电容C的电抗与频率有关。若设输入量为电流 Ic(S)，输出为电压 U o ( S如下图所示，则传递函数 ) 为：
U o (S ) 1 A( S ) I C ( S ) CS
频率特性为：
U o ( j ) 1 A( j ) I C ( j ) jC
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差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和信号地 线构成的回路中感应出的。由于电缆中的信号线 与其地线靠得很近，因此形成的环路面积很小， 所以外界电磁场感应的差模电流一般不会很大。 在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其他 电器的电源发射出的(特别是开关电源)和感性负
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载通断时产生的(其幅度往往很大)。差模干扰电 流都会直接影响设备的工作，并且，这种噪声难 以除掉。
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对数幅频特性为：20 lg A( ) 20 lg 1 20 lg C C
显然，随着频率 = 2π f
滤波器的输出电压衰 减逐渐增加，起到了 低通滤波效果。其输 入输出特性如下图(d) 所示。
滤波器的电容要有耐压高、 绝缘好、温度系数小和自 谐振频率高等特性。
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下图(a)所示的滤波器结构最简单，接在干 扰源线间能衰减串模噪声；接在干扰源和 地线间能衰减共模噪声；接在印刷电路板 中的直流电源线和地线间能抑制电源噪声。
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带通滤波器
带通滤波器正好和带阻滤波器相反，它是指作用 于对特定窄频带外的能量进行衰减的一种滤波器。 带通滤波器是并接于干扰线和地之间，以消除电 磁干扰信号，达到兼容的目的。其频率特性如下 图所示，其中ωC1和ωC2为截止频率。 它用在信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接 收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通 信信号通过。
I L (S )
频率特性为 A( j ) U L ( j ) jL I L ( j ) 对数幅频特性为
共模噪声转化成差模噪声
从本质上讲，共模噪声是可以除掉的。但是由于 线路的不平衡状态，共模噪声会转化成差模噪声。 可用下图来说明共模噪声转化成差模噪声的原理。
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在上图中，N为噪声源，L为负载，Z1和Z2是导线1 和导线2的对地阻抗。如果Z1 = Z2，则噪声电压
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VN1和噪声电压VN2相等，从而噪声电流IN1 和IN2相 等，即噪声电流不流过负载。然而当Z1 ≠Z2 时， 则VN1 ≠ VN2，从而IN1≠IN2，于是VN1 - VN2= VN， VN /ZL＝IN (ZL为负载阻抗)，这是常模噪声。
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按照对不需要的信号能量的抑制方式分类
按照对不需要的信号能量的抑制方式分类又可分 为反射式滤波器和吸收式滤波器。
5.2.5 反射式滤波器 带阻滤波器
带阻滤波器是指用于对特定窄频带(在此频带内可 能产生电磁干扰)内的能量进行衰减的一种滤波器。 其频率特性如下图所示，其中ωC1和ωC2为截止频 率。带阻滤波器是用作串联在负载和干扰源之间 的抑制器件。
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下图(b)中电容中点接地，能够把噪声电流旁 路入地，能消除共模噪声。
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下图(c)中的C3接在电源线间，这种结构能有 效地抑制共模(由C1、C2完成)和串模噪声 (由C3完成)。
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电感滤波器
电感L的电抗与频率有关。若设输入量为电 流 I L (S )输出为电压 U L (S ) ，且与电流变化率 方向相反，如下图(a)所示。 则传递函数为 A(S ) U L (S ) LS