【精品课件】电磁兼容滤波器设计
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精品课件电磁兼容性设计ppt课件
IC的引脚排列也会影响电磁兼容性能。因此IC的VCC与GND之间的距离越 近，去耦电容越有效。
无论是集成电路、PCB板还是整个系统，大部分噪声都与时钟频率及其 高次谐波有关。
合理的地线、适当的去耦电容和旁路电容能减小时钟辐射。
用于时钟分配的高阻抗缓冲器也有助于减小时钟信号的反射和振荡。
TTL和CMOS器件混合逻辑电路会产生时钟、有用信号和电源的谐波，因 此，最好使用同系列的逻辑器件。
铁氧体磁珠或串联电阻） －降低负载电容，以使靠近输出端的集电极开路驱动器而便于上拉，电阻值
尽量大 －处理器散热片与芯片之间经导热材料隔离，并在处理器周围多点射频接地 －电源的高质量射频旁路（解耦）在每个电源管脚都是重要的 －高质量电源监视电路需对电源中断、跌落、浪涌和瞬态干扰有抵抗能力 －需要一只高质量的“看门狗” －决不能在“看门狗”或电源监视电路上使用可编程器件 －电源监视电路及“看门狗”也需适当的电路和软件技术，以使它们可以适
模拟器件也需要为电源提供高质量的射频旁路和低频旁路。
对每个运放、比较器或数据转换器的每个模拟电源引脚的RC或LC滤波都 是必要的。
对模拟电路而言，模拟本振和IF频率一般都有较大的泄漏，所以需要着 重屏蔽和滤波。
02:33
20
2.3 逻辑电路设计
对高频数字电路布局时应作到有关的逻辑元件应相互靠近，易产 生干扰的器件(如时钟发生器)或发热器件应远离其他集成电路。
应大多数的不测情况 －当逻辑信号沿的上升/下降时间比信号在PCB走线中传输一个来回的时间短时，
应采用传输线技术
02:33
22
在逻辑电路中，数字信号的传输线的处理也相当重要。
当电路在高速运行时，在源和目的间的阻抗匹配非常重要。
否则过量的射频能量将会引起电磁兼容性问题。
无论是集成电路、PCB板还是整个系统，大部分噪声都与时钟频率及其 高次谐波有关。
合理的地线、适当的去耦电容和旁路电容能减小时钟辐射。
用于时钟分配的高阻抗缓冲器也有助于减小时钟信号的反射和振荡。
TTL和CMOS器件混合逻辑电路会产生时钟、有用信号和电源的谐波，因 此，最好使用同系列的逻辑器件。
铁氧体磁珠或串联电阻） －降低负载电容，以使靠近输出端的集电极开路驱动器而便于上拉，电阻值
尽量大 －处理器散热片与芯片之间经导热材料隔离，并在处理器周围多点射频接地 －电源的高质量射频旁路（解耦）在每个电源管脚都是重要的 －高质量电源监视电路需对电源中断、跌落、浪涌和瞬态干扰有抵抗能力 －需要一只高质量的“看门狗” －决不能在“看门狗”或电源监视电路上使用可编程器件 －电源监视电路及“看门狗”也需适当的电路和软件技术，以使它们可以适
模拟器件也需要为电源提供高质量的射频旁路和低频旁路。
对每个运放、比较器或数据转换器的每个模拟电源引脚的RC或LC滤波都 是必要的。
对模拟电路而言，模拟本振和IF频率一般都有较大的泄漏，所以需要着 重屏蔽和滤波。
02:33
20
2.3 逻辑电路设计
对高频数字电路布局时应作到有关的逻辑元件应相互靠近，易产 生干扰的器件(如时钟发生器)或发热器件应远离其他集成电路。
应大多数的不测情况 －当逻辑信号沿的上升/下降时间比信号在PCB走线中传输一个来回的时间短时，
应采用传输线技术
02:33
22
在逻辑电路中，数字信号的传输线的处理也相当重要。
当电路在高速运行时，在源和目的间的阻抗匹配非常重要。
否则过量的射频能量将会引起电磁兼容性问题。
电磁兼容滤波器设计1
EMC theory and application
按接入方式分类
三端电容器：将电容器的输入和输出端分开，使引线电感可 以得到利用，这时，引线电感和电容一起构成了T型滤波器， 极大改善了高频衰减特性
EMC theory and application
穿心电容器：没有引线电感造成的电容谐振频率过低的问题， 而且可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离 的作用
4、差模电流发射模型
ˆ I D ˆ I D
假设：把每根导线看成一个赫兹偶 极子
物理上，导体的长度足够短，测 试点足够远；
导体上电流的分布（幅度和相位） 是均匀的。
ˆ E D , max
将差模电流的表达式代入辐射 远区场公式，整理可得：
14 ˆ E 1 . 316 10 D , max
ˆ f 2s I D d
70%以上
EMC theory and application
电容器的种类 按介质材料分类
云母电容器（CY）:金属箔和云母片交叠而成
纸介质电容器（CZ）：用两条长条形铝箔和两张条形绝缘纸交替 叠好，卷成圆柱形，接出引线，经过浸腊等手续，封固而成 陶瓷电容器（CC）：由特殊陶瓷制成，分低介电常数型、高介电 常数型和半导体型 塑料介质电容器（CB和CL）：用特殊塑料制成，如聚苯乙烯电 容器（CB），涤纶电容器（CL） 电解电容器（CD）：常见的有铝电解电容器和钽电解电容器，铝 电解电容器外壳是一个金属圆筒，筒中注有电解液，溶液中浸有一 组铝片，当加上电压时，铝片接正极，圆筒接负极，在铝片上产生 一层极薄的氧化铝薄膜，成为电容器的介质；钽电解电容器是用钽 粉通过烧结，使阳极具有多孔性，从而增大电容量
有损耗滤波器：选用具有高损耗系数或高损耗角正切的电 介质，把高频电磁能量转换成热能，如铁氧体一类物质制 成的柔软的磁管 有源滤波器：可以不需要过大的体积和重量就能提供较大 值的等效L和C。
滤波器的设计课件
滤波器的性能指标
主要包括PSNR（峰值信噪比）、SSIM（结构相似性指数）等指标，用 于评估滤波器的性能。
03
滤波器的设计方法
经典滤波器设计法
01
02
03
傅里叶变换法
基于傅里叶变换理论，将 时域信号转化为频域信号 ，通过选择特定的频率响 应来达到滤波的目的。
拉普拉斯变换法
利用拉普拉斯变换将时域 函数转换为复平面上的函 数，设计滤波器传递函数 。
数字滤波器的理论基础
介绍数字滤波器的概念、原理和数学模型，包括差分方程、传递函数和频率响应等。
数字滤波器的实现方法
分别介绍IIR（无限冲激响应）滤波器和FIR（有限冲激响应）滤波器的实现方法，包括直 接形式、级联形式和频率采样形式等。
数字滤波器的优化与选择
根据应用需求，介绍如何优化数字滤波器的性能，包括减少计算量、降低误差和提高稳定 性等，同时介绍如何根据不同的信号特征和噪声水平选择合适的数字滤波器。
06
总结与参考文献
总结
滤波器的基本概念
介绍了滤波器的定义、分类和 在信号处理中的应用。
滤波器设计方法
详细讲述了多种滤波器设计方 法，如巴特沃斯、切比雪夫和 椭圆函数等。
滤波器的应用
举例说明了滤波器在信号处理 、图像处理和通信系统中的应 用。
滤波器设计软件介绍
简要介绍了常用的滤波器设计 软件，如MATLAB和 FilterSolutions等。
Z变换法
将时域函数转换为Z域函 数，通过设计传递函数来 实现滤波。
最优ห้องสมุดไป่ตู้波器设计法
最小二乘法
通过最小化误差的平方和 来设计最优滤波器，实现 信号的最佳估计。
卡尔曼滤波器
主要包括PSNR（峰值信噪比）、SSIM（结构相似性指数）等指标，用 于评估滤波器的性能。
03
滤波器的设计方法
经典滤波器设计法
01
02
03
傅里叶变换法
基于傅里叶变换理论，将 时域信号转化为频域信号 ，通过选择特定的频率响 应来达到滤波的目的。
拉普拉斯变换法
利用拉普拉斯变换将时域 函数转换为复平面上的函 数，设计滤波器传递函数 。
数字滤波器的理论基础
介绍数字滤波器的概念、原理和数学模型，包括差分方程、传递函数和频率响应等。
数字滤波器的实现方法
分别介绍IIR（无限冲激响应）滤波器和FIR（有限冲激响应）滤波器的实现方法，包括直 接形式、级联形式和频率采样形式等。
数字滤波器的优化与选择
根据应用需求，介绍如何优化数字滤波器的性能，包括减少计算量、降低误差和提高稳定 性等，同时介绍如何根据不同的信号特征和噪声水平选择合适的数字滤波器。
06
总结与参考文献
总结
滤波器的基本概念
介绍了滤波器的定义、分类和 在信号处理中的应用。
滤波器设计方法
详细讲述了多种滤波器设计方 法，如巴特沃斯、切比雪夫和 椭圆函数等。
滤波器的应用
举例说明了滤波器在信号处理 、图像处理和通信系统中的应 用。
滤波器设计软件介绍
简要介绍了常用的滤波器设计 软件，如MATLAB和 FilterSolutions等。
Z变换法
将时域函数转换为Z域函 数，通过设计传递函数来 实现滤波。
最优ห้องสมุดไป่ตู้波器设计法
最小二乘法
通过最小化误差的平方和 来设计最优滤波器，实现 信号的最佳估计。
卡尔曼滤波器
电磁兼容-滤波
则
f f ? 2.06
i
c
要求：6ndB/倍频 > 30dB，则n≥5，取n＝5 。
5级原型滤波器的参数为
换算：
C1b ? C5b ? 0.618F ,C3b ? 2.00F , L2b ? L4b ? 1.618H
Rg ? RL ? 72Ω
C1 ? C5 ? C1b (2? fcZ) ? 43pF
Z1in
?
A12 ? A22 ?
A11 R A21R
(Zg ? ZL ? R)
?电容型： A11
?
U1 U2
I2?0 ? 1
A12
? ? U1 I2
U2 ?0
?
0
U1
R I1
I2
A21
?
I1 U2
I2 ? 0
?
1/( j? C)
U2
?
j? C
Ug ~
U1 C
U2
R
A22
?
?
I1 I2
U2?0 ? 1
? 滤波器作用：抑制传导干扰
滤波器作用：抑制传导干扰
信号滤波器 电源滤波器
? 工作原理
在一定的通频带内， 滤波器的衰减很小，能 量容易地通过。在此通 频带之外则衰减很大， 抑制了能量的传输。
滤波器的特性与分类 1. 特性：
插入损耗，频率特性，阻抗特性，额定电流；外形尺 寸，工作环境，可靠性等。
( 1 ) 插入损耗（IL） 衡量滤波器性能的主要指标。定义：
R U~ C
R U~
C
R
RL
RL
R
L
U~
R U~
C
R U~ C C
R
2. 插入损耗 ? 无源滤波器的端口网络特性
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按滤波器的作用对象分类
1、电源滤波器：是一种低通滤波器，它毫无衰减地把直流或 50Hz和400Hz等低频电源功率传送到设备上，却大大衰减经电 源传入的骚扰信号，保护设备免受其害；同时又能大大抑制设 备本身产生的骚扰信号，防止它进入电源，污染电磁环境，危 害其他设备 2、信号滤波器：安装在信号线上，要考虑滤波器不能对工作信 号有严重的影响，不能造成信号的失真
有源滤波器：可以不需要过大的体积和重量就能提供较大 值的等效L和C。
电缆滤波器：包在载流线上，增加正常的集肤效应，提高 对高频干扰的吸收作用
反射式滤波器
带阻滤波器：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， 用作串联在负载和干扰源之间的抑制器件
带通滤波器：指作用于对特定窄频带外的能量进行 衰减的一种滤波器，并接于干扰线和地之间，以消除 电磁干扰信号
L
iL
入
iL
出
(a)
负载 (b)
负载 (c)
RC低通滤波器
(a)当信号频率远小于上限截止频率时，输出电压几乎与输入电压 相等；反之，则大有衰减
(b)同L型的衰减系数相同，实际上由于信号源不可避免含有内阻， 当Π型滤波器和信号源连接后，相当于两级L型滤波器串联，对滤 波特性有很大改善
(c)同L型滤波器的滤波特性相同，实际上往往将T型滤波器用于负 载阻抗小的情况，这比应用L型和Π型滤波器时的负载电流要小得 多，减轻了信号源的负担
高通滤波器：用于从信号通道上滤除交流电流频率 或抑制特定的低频外界信号
低通滤波器：用于干扰信号频率比工作信号频率高 的场合
低通滤波器分类
电容滤波器：
(a)结构最简单，接在干扰源间能衰减差模噪声；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
(b)电容中点接地，能够把噪声电流旁路入地，能消除共 模噪声
(c)C3接在电源线间，能有效抑制共模噪声（由C1、C2完 成）和差模噪声（由C3完成）
入
出
入
出
入 C1
C2
出
C3
(a)
(b)
(c)
电感滤波器
(a)常用结构，串接在线路中对高频噪声有很大的阻抗，可以抑制 高频噪声电流
(b)共模轭流圈：出现差模噪声时，因磁通抵消基本不起电感作用
(c)共模轭流圈：出现共模噪声时，两个线圈所产生的磁通方向相 同，使电感作用加倍，对线路与地线间的共模噪声起到很强的抑制 作用
入
出
入
出入
出
(a)L型
(b)Π型
(c)T型
LC低通滤波器
(a)比RC低通滤波器有更好的滤波性能，但是制造电感线圈比较麻 烦，不利于大规模生产，也不便于集成化和小型化
(b)同L型的衰减系数相同，实际上由于信号源不可避免含有内阻， 当Π型滤波器和信号源连接后，相当于L型RC滤波器和LC滤波器串 联，有效地改善了滤波特性
➢减小电流值 ➢减小环路面积
C
C
B
C
A
B
C B A
环面积
B
A
A
环面积
5、共模电流发射模型 IˆC
IˆC
EˆC,max1.257106
IˆC f d
Eˆ C ,max
• 减小某一特定频率的共模电流产生的辐射场 ➢减小电流值 ➢减小导线长度
6、共模噪声转化成差模噪声
N 1
VN
IN
2
Z1
V N1
VN2
按噪声波形及性质分类 1、持续正弦波:典型的周期噪声，最常见的是50Hz的 工频噪声
2、偶发脉冲电压波形：雷击波、静电放电 3、脉冲序列：有一定的周期性
按噪声传导模式分类 Iˆ1 IˆD IˆC
Iˆ2 IˆD IˆC
1、差模噪声
N
UN
IN
IS
IN
IS
Iˆ1 IˆC IˆD Iˆ2 IˆCIˆD
R
(c)同L型滤波器的滤波特性相同，实际上往往将T型滤波器用于负 载阻抗小的情况，这比应用L型和Π型滤波器时的负载电流小，有 效减轻了信号源的负担
入
出
(a)L型
入
出入
出
(b)Π型
(c)T型
低通滤波器的结构选择
信号源N 负载对象G
滤波器形式
阻抗低 阻抗低
N
G
阻抗低 阻抗高
N
G
阻抗高 阻抗低
N
G
阻抗高 阻抗高
4、差模电流发射模型
IˆD IˆD
Eˆ D,max
假设：把每根导线看成一个赫兹偶 极子
➢物理上，导体的长度足够短，测 试点足够远；
➢导体上电流的分布（幅度和相位） 是均匀的。
将差模电流的表达式代入辐射 远区场公式，整理可得：
E ˆD,ma x1.311 6 014IˆDdf2s
• 减小某一特定频率的差模电流产生的辐射场
第4章 电磁兼容滤波器设计
干扰的分类
按噪声产生的原因分类
1、放电噪声：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
2、高频振荡噪声：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
3、浪涌噪声：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
NHale Waihona Puke G低通滤波器的平衡结构
R2
C
R2
低通滤波器的串联形式
➢为改善选频特性，可以实行级间串联，但级联之后，由 于后级成为前级的负载，导致总的频率特性与单级不同
2、共模噪声
N
IS
IN /2
UN
IS
U N IN /2
R
IN
3、平行双导线的差模电流和共模电流对辐射发射的 相对影响
IˆD
IˆC
IˆD
IˆC
相互抵消
相互叠加
某带状传输线，从30MHz到80MHz，20mA的差模电流产生的辐 射发射相当于8μA的共模电流产生的辐射发射。因此，共模 电流产生辐射发射的潜能要比差模电流大得多。
信号滤波器
电源滤波器
按照对不需要的信号能量的抑制方式分类
1、反射式滤波器：能阻止无用信号通过，把它们发射回信号 源——带阻滤波器、带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器等
2、吸收式滤波器：把不希望的信号吸收掉
有损耗滤波器：选用具有高损耗系数或高损耗角正切的电 介质，把高频电磁能量转换成热能，如铁氧体一类物质制 成的柔软的磁管
IN
L
IN2
Z2
电磁干扰滤波器
防护传导干扰的主要措施，解决辐射干扰的重要武器
滤波器的主要特性
1、额定电压：最高允许电压值 2、额定电流：最大连续工作电流 3、频率特性：中心频率、截止频率、上升和下降斜率 4、输入输出阻抗：考虑阻抗匹配 5、插入损耗：信号源通过滤波器在负载阻抗上建立的电压同不 接滤波器时信号源在同一负载阻抗上建立的电压的比值 6、传输频率特性：也称衰减系数，是滤波器输出信号同输入信 号的比值