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5.3 设计电磁干扰滤波器

1.电磁干扰滤波器的特点

电磁干扰滤波器是一种特殊用途的滤波器,主要用来滤除电缆上的电磁干扰。它与一般电路中使用的滤波器有以下几点区别。

(1)工作频率范围很宽。由于电磁干扰的频率范围很宽,一般从几十 kHz 到 1MHz 甚至是1GHz以上,因此干扰滤波器的有效滤波频率要覆盖这么宽的范围。

(2)一般电路中使用的滤波器所连接的电路的阻抗是一定的,而电磁干扰滤波器所连接的电路阻抗却不是固定的,一般变化范围很宽。

由于以上两个特殊情况,电磁干扰滤波器在设计和使用中有一些特殊的问题存在。电磁干扰滤波器都是低通滤波器,它主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。

2.普遍采用低通滤波器的原因

(1)数字脉冲电路是一种主要的电磁干扰源,脉冲信号有丰富的高次谐波,这些高次谐波并不是电路工作所必需的,但因为它们很容易辐射和耦合,是很强的干扰源。因此在数字电路中,常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波(通常是高于 1/(πt r )的频率)滤除掉,仅保留能够维持电路正常工作的最低频率。

(2)高频电磁波在空间的传输效率更高,也更容易被接收,因此实际上对设备造成电磁干扰的电磁场的频率都是比较高的,它们在电路中产生的噪声电压、电流也是高频的。

(3)当导线上有传导电流时,电流的频率越高,越容易形成辐射,从而产生较强的辐射骚扰。因此,滤除这些高频电流是减小电缆辐射的一个有效的方法。

(4)导线或电缆之间由于存在分布电容和互感,会产生相互的串扰,这些干扰以高频为主,并且频率越高,串扰越严重,最有效的方法就是用低通滤波器滤除。

图 5-6 所示为低通滤波器的频率特性。在电磁干扰滤波器中,主要关注滤波器的插入损耗和截止频率这两个参数。对于插入损耗,又分为差模插入损耗和共模插入损耗。插入损耗越大,表明该滤波器对干扰的抑制效果越好。

图5-6 低通滤波器的频率特性

低通滤波器的电路如图 5-7 所示,其基本原理是利用电感的阻抗随着频率升高而增加,电容的阻抗随着频率升高而减小的特性,将电感串联在要滤波的信号线上,对干扰电流起到阻碍和衰耗的作用,而电容并联在要滤波的信号线与信号地线之间(差模干扰电流滤波)从而将高频干扰信号旁路。

3.如何选择滤波器

如图 5-7 所示,滤波电路的种类有如此之多,在实际应用中如何选择呢?其实,选择起来并不是很困难,我们需要弄清楚两个问题:一个是需要抑制的干扰频率与工作频率之间的差别有多大;另一个是滤波器所连接的电路的阻抗是多少。

图5-7 低通滤波器的电路

滤波电路中的器件数量越多,滤波器的过渡带越短,越适合信号频率与干扰频率靠得很近的场合。滤波器中的器件数量与过渡带的关系如图 5-8 所示,低通滤波器中所含的器件数量就是常说的滤波器的阶数。N 阶滤波器的过渡带陡度为 6N/倍频程或 20N/十倍频程。图 5-8 的横坐标原点定为低通滤波器的截止频率。

图5-8 滤波器阶数与过渡带的关系

例如,有一台工控机连接了两台设备:一台显示器,一台终端采集器,在辐射发射的电磁兼容试验中出现超标发射。经诊断,发现连接这三台设备的电缆上有 100MHz 的共模电流,电缆的共模辐射是发射超标的原因。为了通过试验,需要将电缆上的 100MHz共模电流衰减 20dB。设显示信号的带宽为 50MHz,终端采集信号的带宽为 10MHz,则需要滤波器的特性如图 5-9 所示,显示信号电缆上的滤波器的截止频率为 50MHz,终端采集设备电缆上的滤波器的截止频率为 10MHz。需要注意的是,虽然这里设计的是共模滤波器,但是它对差模信号有一定的损耗,因此要保证电缆线中的差模信号的带宽。

图5-9 显示器和工控机、终端采集器上的电缆的滤波器特性

对这两种滤波器的阶数可采用以下方法确定。

(1)对于显示信号:50MHz 与 100MHz 相差一个倍频,根据图 5-8,滤波器的过渡带斜率为6N(dB)/倍频程,因此N应取4才能满足要求。

(2)对于终端采集信号:10MHz 与 100MHz 相差十倍频,根据图 5-8,滤波器的过渡带斜度为20N(dB)/十倍频程,因此,N应取1才能满足要求。

所以,显示电缆上的滤波器的阶数至少为4阶,终端采集器电缆上的滤波器阶数只需1阶即可。

虽然确定了滤波器的阶数,但是电路形式还没有确定。例如,一阶滤波器应该用电感还是电容。选择滤波器电路的形式与滤波器所连接的电路的阻抗有关系。例如,电感和电容在不同电路阻抗情况下的插入损耗如图5-10所示。从图5-10中可知,对于单个电感的滤波器,源和负载的阻抗越低,插入损耗越大;而对于单个电容的滤波器,正好相反,即源和负载的阻抗越高,插入损耗越大。

图5-10 源和负载阻抗对滤波器插入损耗的影响

表 5-1 给出了适合各种源和负载阻抗的滤波器。仔细分析这个表可以看出:滤波器中的电感总是对应低阻抗,电容总是对应高阻抗。

表5-1 滤波器电路与阻抗的关系

表 5-1 虽然给出一个原则,但是实际电路的阻抗很难估算,特别是在高频时(电磁干扰问题通常发生在高频),由于电路中分布参数的影响,电路的阻抗变化很大,而且电路的阻抗一般还与电路的工作状态有关,再加上电路阻抗在不同的频率上也不一样。因此,在实际应用中,哪一种滤波器更有效,主要靠试验的结果确定。

通过上面过程,已经可以确定滤波器的电路拓扑结构了。下一步的工作是确定电路中电感和电容的具体参数。滤波器的截止频率是由滤波电路中的电容和电感参数决定的,电容和电感的值越大,滤波器的截止频率越低。滤波电路中的电容和电感值用下列公式确定:

式中 L—电感(H);

C—电容(F);

R—源和负载的阻抗(Ω);

f c —滤波器的截止频率(Hz)。

对于 T 形(多级 T)和π形(多级π)电路,最外边的电容或电感取 C/2 和 L/2,中间的不变。

对于一个特定的滤波器,设源的阻抗为 Z S ,负载的阻抗为 Z L ,它的插入损耗可以通过下面的公式来估算。

(1)单电容滤波电路:

式中 Z S 、Z L <<50Ω。

(2)单电感滤波电路:

式中 Z S 、Z L <<50Ω。

(3)Γ形滤波电路:

式中 Z S >>Z L

(4)反Γ形滤波电路:

式中 Z S >>Z L

(5)T形滤波电路:

(6)π形滤波电路:

式中 Z S 、Z L >Ω。 u/8wZY07bi1+nqd7uafsCieBJr7Ugy05F4MZZWlXnoYNTJQW/mQGVrAX6+kckW6W

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