精品课件-工程电磁兼容(第二版)(路宏敏)-第8章

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3.阻抗特性 滤波器的输入阻抗、输出阻抗直接影响滤波器的插入损 耗特性。在许多使用场合，出现滤波器的实际滤波特性与生 产厂家给出的技术指标不符，这主要是由滤波器的阻抗特性 决定的。因此，在设计、选用、测试滤波器时，阻抗特性是 一个重要技术指标。使用EMI滤波器时，遵循输入、输出端 最大限度失配的原则，以求获得最佳抑制效果。相反地，信 号选择滤波器需要考虑阻抗匹配，以防止信号衰减。
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6.电磁兼容性 EMI滤波器一般是用于消除不希望有的电磁干扰，其本 身不会存在干扰问题，但其抗干扰性能的高低，直接影响设 备的整体抗干扰性能。抗干扰性能突出体现在滤波器对电快 速脉冲群、浪涌、传导干扰的承受能力和抑制能力。
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7.安全性能 滤波器的安全性能，如耐压、漏电流、绝缘、温升等性 能，应满足相应的国家标准要求。
34 图8-6 T型滤波器
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(5)T型滤波器(T-Section Filter)的电路结构如图8-6 所示。T型滤波器能够有效地抑制瞬态干扰，主要缺点是需 要两个电感器，使滤波器的总尺寸增加。
T型滤波器的插入损耗为
IL 10
lg
(1 2LC )2
L
R
3 L2C
2R
CR
2
2
(dB)
Π型滤波器的插入损耗为
IL 10
lg
(1 2LC )2
L
2R
2LC
2
2R
CR
2
(dB)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(8-4)
Π型滤波器抑制瞬态干扰不是十分有效。采用金属壳体
屏蔽滤波器能够改善Π型滤波器的高频性能。对于非常低的
频率，使用Π型滤波器可提供高衰减，如屏蔽室的电源线滤
波。
33 图8-5 Π型滤波器
(8-5)
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2.高通滤波器 高通滤波器主要用于从信号通道中排除交流电源频率以 及其它低频干扰。高通滤波器的网络结构与低通滤波器的网 络结构具有对称性，只要把低通滤波器相应位置上的电感器 换成电容器(此电容器的电容值等于电感器的电感值的倒数)， 把电容器换成电感器(此电感器的电感值等于电容器的电容 值的倒数)，低通滤波器就转换成高通滤波器。即把每个电 感L(H)转换成数值为1/L(F)的电容，把每个电容C(F)转换成 数值为1/C(H)的电感。这一过程可以表示为
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穿芯电容器(Feed-through Capacitor)高频性能好，具有大 约1 GHz以上的谐振频率，电感值小，工作电流和电压可以 很高，有三个端子。电解电容器(Electrolytic Capacitor) 用于直流滤波。电解电容器是单极器件，其高损耗因数或者 串联电阻使其不能作为射频滤波元件。直流电源输出端的射 频旁路需要使用电解电容器。钽电解电容器的容量与体积的 比值大，串联电阻、电感小，温度稳定性好，适用于工作频 率小于25 kHz的场合。
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8.1 滤波器的类型
8.1.1 滤波器的工作原理 在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量可以很容
易地通过，在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。 因此，凡与需要传输的信号频率不同的骚扰，都可以采用滤 波器加以抑制。滤波器将有用信号的频谱和骚扰的频谱隔离 得越完善，抑制电磁骚扰的效果越好。
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8.可靠性 可靠性也是选择滤波器的重要指标。一般说来，滤波器 的可靠性不会影响其电路性能，但影响其电磁兼容性。因此， 只有在电磁兼容性测试或者实际使用过程中，才会发现问题。
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9.体积与重量 滤波器的体积与重量取决于滤波器的插入损耗、额定电 流等指标。一般情况下，额定电流越大，其体积与重量越大； 插入损耗越高，要求滤波器的级数越多，同时使滤波器的体 积与重量增加。
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2.频率特性 滤波器的插入损耗随频率的变化即频率特性。信号无衰 减地通过滤波器的频率范围称为通带，而受到很大衰减的频 率范围称为阻带。根据频率特性，可把滤波器大体上分为四 种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。 表8-1给出了这四种滤波器的频率特性曲线。滤波器的频率 特性又可用中心频率、截止频率、最低使用频率和最高使用 频率等参数反映。
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4.额定电流 额定电流是滤波器工作时，不降低滤波器插入损耗性能 的最大使用电流。一般情况下，额定电流越大，滤波器的体 积、重量和成本越大；使用温度越高，工作频率越高，其允 许的工作电流越小。
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5.额定电压 额定电压是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，会使滤波器内部的元件损坏。
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8.2 滤波器的特性
描述滤波器特性的技术指标包括插入损耗、频率特性、 阻抗特性、额定电压、额定电流、外型尺寸、工作环境、可 靠性、体积和重量等。下面介绍其中几个主要特性。
10 1.插入损耗(Insertion Loss) 插入损耗是衡量滤波器的主要性能指标，滤波器滤波性 能的好坏主要是由插入损耗决定的。因此，在选购滤波器时， 应根据干扰信号的频率特性和幅度特性进行选择。
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1.低通滤波器 低通滤波器是电磁兼容工程中使用最多的一种滤波器， 主要用来抑制高频传导电磁骚扰。例如，电源滤波器就是低 通滤波器，当直流或者工频电流通过电源滤波器时，没有明 显的能量衰减，而当其频率高于工频的信号通过电源滤波器 时，则存在显著的能量衰减。 低通滤波器的种类很多，按其电路结构，常见形式有并 联电容滤波器(Shunt Capacitor Filter)、串联电感滤波器 (Series Inductor Filter)、L型滤波器(L-Section Filter)、Π型滤波器(Π-Section Filter)、T型滤波器(TSection Filter)等，这些低通滤波器的电路结构和插入损 耗如下所述。
滤波器的插入损耗由下式表示：
IL 20 lg U1 (dB) U2
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式中：IL表示插入损耗；U1表示信号源(或者干扰源)与负载 阻抗(或者干扰对象)之间没有接入滤波器时，信号源在负载 阻抗上产生的电压；U2表示信号源与负载阻抗间接入滤波器 时，信号源通过滤波器在同一负载阻抗上产生的电压。
滤波器的插入损耗值与信号源频率、源阻抗、负载阻抗、 工作电流、工作环境温度、自身的体积和重量等因素有关。
1 第八章 滤波技术及其应用
8.1 滤波器的工作原理和类型 8.2 滤波器的特性 8.3 反射式滤波器 8.4 吸收式滤波器 8.5 电源线滤波器 8.6 滤波器的安装
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滤波技术(Filtering Technique)是抑制电气、电子设 备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主 要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要辅助措施。 滤波的实质是将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分 量两个频段，剔除干扰频率分量部分。滤波技术的基本用途 是选择信号和抑制干扰。为实现这两大功能而设计的网络称 为滤波器。本章从滤波器件的应用角度出发，着重介绍滤波 器件的特性、类型、应用场合、选用、安装等内容。
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由于这些电感性影响，电容器呈现谐振。低于谐振频率时， 滤波器呈现容抗；高于谐振频率时，滤波器呈现感抗。作为 滤波器元件，不同类型的电容器特性描述如下。Metalized Paper Capacitor具有小的物理尺寸，射频旁路能力差(因为 引线与电容器之间有高接触电阻)。在小于20 MHz的频率范 围内，可以使用Standard Wound Aluminum Foil Capacitor， 超出此频率范围，电容和引线长度限制其使用。云母和陶瓷 电容器(Micaand Ceramic Capacitor)的容量与体积的比值 很高，串联电阻小，电感值小，具有相当稳定的频率、容量 特性，适用于电容量小、工作频率高(高于200 MHz)的场合。
4 图8-1 滤波器按用途分类
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8.1.2 滤波器的类型 滤波器的种类很多。根据滤波原理可分为反射式滤波器
(Reflective Filter)和吸收式滤波器(Dissipative Filter)。根据结构形式可分为Butterworth、Tchebycheff、 Butterworth-Thompson、Elliptic等类型。根据工作条件可 分为有源滤波器(Active Filter)和无源滤波器(Passive Filter)。根据频率特性可分为低通、高通、带通、带阻滤 波器(Low-pass Filter、High-pass Filter、Bandpassfilter、Band-rejectFilter)。根据使用场合可分为电 源滤波器、信号滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、 防电磁信息泄露专用滤波器、印刷电路板专用微型滤波器等。
13 表8-1 滤波器的频率特性
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必须注意，滤波器产品说明书给出的插入损耗曲线，都 是按照有关标准的规定，在源阻抗等于负载阻抗且都等于50 Ω时测得的。实际应用中，EMI滤波器输入端和输出端的阻 抗不一定等于50 Ω，所以，这时EMI滤波器对骚扰信号的实 际衰减与产品说明书给出的插入损耗衰减不一定相同，有可 能相差甚远。
对于L型滤波器,源阻抗与负载阻抗相等时的插入损耗为
IL 10
lg
1 4
(2
2 LC
)2
CR
L
R
2
(dB)
(8-3)
31 图8-4 L型滤波器
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(4)Π型滤波器(Π-SectionFilter)的电路结构如图 8-5所示，是实际中使用最普遍的形式。其优势包括容易制 造、宽带高插入损耗和适中的空间需求。
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(1)并联电容滤波器是最简单的低通EMI滤波器，通常连 接于携带干扰的导线与回路地线之间，如图8-2所示。它用 来旁路高频能量，流通期望的低频能量或者信号电流。其插 入损耗为
IL＝10 lg[1+(p f RC)2] dB (8-1) 式中：f表示频率；R表示激励源电阻或者负载电阻；C表示 滤波器电容。实际上，电容器包含串联电阻和电感。这些非 理想影响是电容器极板电感、引线电感、极板电阻、引线与 极板的接触电阻产生的结果。不同类型的电容器的电阻性、 电感性影响是不同的。
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8.3 反射式滤波器
反射式滤波器的工作原理是把不需要的频率成分的能量 反射回信号源或者骚扰源，而让需要的频率成分的能量通过 滤波器施加于负载，以达到选择和抑制信号的目的。反射式 滤波器通常由电抗元件(如电感器、电容器)组合构成无源网 络。理想情况下，电感器和电容器是无耗元件。反射式滤波 器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并联阻抗，也就是说，对骚扰电流 建立一个高的串联阻抗和低的并联阻抗通路。
骚扰源的频率阻抗特性变化范围很宽，其阻抗通常是整个频 段的函数。由于经济和技术上的原因，不可能设计出全频段 阻抗匹配的电磁干扰滤波器。
②骚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。
③电磁骚扰源的频带范围很宽，其高频特性非常复杂， 难以用集总参数电路来模拟滤波电路的高频特性。
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④工作频带内必须具有较高的可靠性。由于电磁骚扰源 工作频率范围宽，具有大电流脉冲，所以必须选择具有良好 性能的滤波元件。滤波器的布局、滤波器与设备的连接不能 引入附加的电磁干扰。
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根据用途可分为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器两大类， 如图8-1所示。信号选择滤波器是指能有效去除不需要的信 号分量，同时对被选择信号的 幅度、相位影响最小的滤波 器； 电磁干扰滤波器(EMI Filter)是以能 够有效抑制电磁 干扰为目标的滤波器。
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8.1.3 EMI滤波器的特点 电磁干扰滤波器与常规滤波器相比，具有以下特点： ①电磁干扰滤波器往往在阻抗失配的条件下工作。电磁
者负载电阻，单位为Ω；f表示频率，单位为Hz。
实际上，电感器具有串联电阻和绕线间的电容。绕线电
容产生自谐振。低于此谐振频率，电感器提供感抗；高于谐
振频率，电感器作为容抗出现。因此，在高频段，普通电感
器不是一个好的滤波器。
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(3)L型滤波器(L-Section Filter)的电路结构如图8-4 所示。如果源阻抗与负载阻抗相等，L型滤波器的插入损耗 与电容器插入线路的方向无关。当源阻抗不等于负载阻抗时， 通常将获得最大插入损耗。电容器并联，阻抗更高。
27 图8-2 并联电容滤波器
28 图8-3 串联电感滤波器
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(2)串联电感滤波器是低通滤波器的另一简单形式，在 其电路构成上，电感器与携带干扰的导线串联连接，如图83所示。其插入损耗为
IL 10
lg
1
π fL R
2
(dB) (8-2)
式中：L表示滤波器的电感，单位为H；R表示激励源电阻或