電源濾波器分類(lèi)及應(yīng)用

電源濾波器就是對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過(guò)在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。

利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過(guò)電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。

大功率電源的濾波器如Satons、UBS、變頻器等將會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，這類(lèi)濾波器需采用有源電力濾波器APF。APF可對(duì)2~50次諧波電流進(jìn)行濾除。

電源濾波器的目的是在抑制電磁噪聲，噪聲的影響可分為以下二種：

發(fā)射（Emissions）：是要將由設(shè)備產(chǎn)生，影響電源或其他設(shè)備的噪聲降到法規(guī)（例如FCC part 15）允許值以下，例如由開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲。

抗擾（Immunity）：是要將進(jìn)入設(shè)備的噪聲降低到不會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)異常動(dòng)作的程度，例如用在廣播電臺(tái)發(fā)射設(shè)備中的儀器。

電源濾波器要抑制的噪聲可分為以下的二種：

共模：在二條（或多條）電源線都相同的噪聲，可視為電源線對(duì)地的噪聲。

差模：電源線和電源線之間的噪聲。

同一個(gè)電源濾波器對(duì)于共模噪聲及差模噪聲的抑制能力會(huì)有所不同，一般會(huì)用頻率對(duì)應(yīng)抑制量（以分貝表示）的頻譜來(lái)說(shuō)明。

電源濾波器原理和作用

電源濾波器常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類(lèi)。無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)S來(lái)表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。

脈動(dòng)系數(shù)（S）=輸出電壓交流分量的基波最大值/輸出電壓的直流分量

電源濾波器的原理就是一種阻抗適配網(wǎng)絡(luò)：電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對(duì)電磁干擾的衰減就越有效。

具體工作原理如下：交流電經(jīng)過(guò)二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給無(wú)線電裝供電的。要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說(shuō)，濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。

根據(jù)電源端口的電磁騷擾特點(diǎn)，電源EMI噪聲濾波器是一種無(wú)源低通濾波器，它無(wú)衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫?，而大大衰減隨交流電傳入的EMI噪聲，同時(shí)又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EMI噪聲，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備。

電源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示，這是一種無(wú)源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)交流和直流電源都適用，具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網(wǎng)中與電源之間，相當(dāng)于這二者的EMI噪聲之間加上一個(gè)阻斷屏障，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用，從而在各種電子設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。

圖中Cx是差模電容器，一般稱為X電容，電容量宜選為0.01-2.22μF，CY1和CY2是共模電容器，一般稱為Y電容，電容量約為幾納法（nF）到幾十納法。C3和C4的電容量不宜選得過(guò)大，否則容易引起濾波器甚至機(jī)殼漏電的危險(xiǎn)。L為共模扼流圈，它為同向繞在同一個(gè)鐵氧體環(huán)上的一對(duì)線圈，電感量約為幾毫亨（mH）。對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，共模扼流圈表現(xiàn)出較大的阻抗，從而起到衰減干擾信號(hào)的作用；而對(duì)于差模信號(hào)（在這里是低頻電源電流），兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消，所以不影響電路的電源傳輸功能。

電源濾波器是針對(duì)電源端口電磁騷擾的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，一般是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是濾波器的一種，按照工作原理稱之為反射式濾波器。它可以在濾波器阻帶內(nèi)提供了高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，使它和噪聲源的阻抗和負(fù)載阻抗嚴(yán)重不匹配，從而把不希望的頻率分量發(fā)射回噪聲源。

當(dāng)我們選用電源濾波器時(shí)，應(yīng)主要考慮三個(gè)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(guò)灌封處理的，因此環(huán)境特性不是主要問(wèn)題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對(duì)電源濾波器的環(huán)境特性有一定的影響。

電源線濾波器

圖1給出的單級(jí)電源線濾波器對(duì)源和負(fù)載的阻抗都很敏感，當(dāng)工作在實(shí)際的源和負(fù)載阻抗條件下時(shí)，很容易產(chǎn)生增益，而不是衰減。這種增益通常出現(xiàn)在150kHz～10MHz的頻率范圍內(nèi)，幅度可以達(dá)到10 ～ 20dB。因此，在產(chǎn)品上安裝一個(gè)不合適的濾波器后，可能會(huì)增加發(fā)射強(qiáng)度和/或使敏感性變得更糟。

圖1 典型的單級(jí)電源線濾波器

圖2所示的兩級(jí)或更多級(jí)的濾波器，可以使內(nèi)部接點(diǎn)保持在相對(duì)穩(wěn)定的阻抗上，因此對(duì)負(fù)載及源的阻抗依賴不是很大，可以提供接近50/50指標(biāo)的性能。當(dāng)然，這些濾波器體積更大，價(jià)格更高。

圖2 典型的兩級(jí)電源線濾波器

為了解決阻抗問(wèn)題，最好是購(gòu)買(mǎi)生產(chǎn)廠家同時(shí)標(biāo)明了在“匹配”的50/50測(cè)試系統(tǒng)中的指標(biāo)和在“失配”條件下的指標(biāo)的產(chǎn)品。失配的數(shù)據(jù)是在源阻抗為0.1，負(fù)載阻抗為100的條件下，和相反的條件下，測(cè)得的。一個(gè)竅門(mén)是用所有這些曲線中的最壞情況形成一條衰減曲線圖，并將其作為濾波器的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)采用這種方法來(lái)選擇濾波器以滿足產(chǎn)品的預(yù)期目的時(shí)，濾波器的性能通常能夠達(dá)到希望的效果，甚至更好一些。

大多數(shù)電源線濾波器采用共模扼流圈和連接在相線間的X電容處理差模干擾。如果濾波器用于解決開(kāi)關(guān)電源、相位角功率控制器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等電路產(chǎn)生的低頻高強(qiáng)度干擾問(wèn)題，則通常需要比X電容所能提供的差模衰減更大的衰減，這時(shí)需要采用如圖3所示的差模扼流圈。由于磁芯會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象，所以很難以較小的體積獲得較大的電感量。這些濾波器一般體積比較大而且也比較昂貴。

圖3 開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器上使用的典型濾波器

大多數(shù)電源線濾波器采用Y型電容，這些電容連接在相線與地線之間。為了不超過(guò)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)限定的地線允許泄漏值，這些電容的值大約在幾nF左右。一般地，Y電容應(yīng)連接到噪聲干擾較大的導(dǎo)線上（例如，儀表靈敏模擬電路中的電源線，開(kāi)關(guān)電源中的整流器等）。

對(duì)于醫(yī)療設(shè)備，特別是與病人身體接觸的，要求地線泄漏電流值相當(dāng)?shù)?，因此使用任意一種Y型電容都是不行的。這時(shí)采用的濾波器需要更大的電感和/或采用多級(jí)級(jí)聯(lián)，因此體積較大，價(jià)格較高。（最好是在設(shè)備與病人相連的那一端采用電池供電，僅通過(guò)光耦或光纖與交流電源供電的設(shè)備相連。）

在較大的系統(tǒng)里，來(lái)自大量Y型小電容的地線泄漏會(huì)產(chǎn)生很大的地線電流，這樣就會(huì)產(chǎn)生地線電壓差，從而導(dǎo)致不同設(shè)備間的互連電纜上產(chǎn)生“嗡嗡”的交流聲和瞬態(tài)高電平?，F(xiàn)代最佳解決方案是采用等勢(shì)三維地線搭接，但許多陳舊的設(shè)施中不能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因此，決定用在大系統(tǒng)里的設(shè)備應(yīng)使用Y電容很小或根本沒(méi)有Y電容的濾波器。

最好是使用滿足安全認(rèn)證的電源線濾波器。這些濾波器的安全性、可靠性、溫度范圍、額定電壓和電流以及恰當(dāng)?shù)陌踩珮?biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用均業(yè)已由廠家認(rèn)證通過(guò)。

信號(hào)線濾波器

如果傳導(dǎo)發(fā)射或輻射發(fā)射由不可避免的信號(hào)頻譜引起，那么試圖使用差模濾波器來(lái)減小這些發(fā)射并不是辦法。不過(guò)對(duì)所關(guān)心的信號(hào)頻譜范圍內(nèi)的頻率，采用共模濾波是可行的，因?yàn)橛杏玫男盘?hào)是差模而非共模。

信號(hào)線濾波器的技術(shù)指標(biāo)中，一般都忽略了地線噪聲。驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)產(chǎn)生地線跳躍噪聲，如果數(shù)字印刷電路板的地線面與機(jī)殼間的射頻搭接不好，便會(huì)在所有導(dǎo)線中產(chǎn)生大量的數(shù)字0V噪聲，因此，外封裝上標(biāo)有低轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動(dòng)芯片仍可能產(chǎn)生高電平的射頻噪聲。

低頻模擬信號(hào)中使用的濾波器，尤其是當(dāng)電子電路的靈敏度非常高時(shí)，需要采用如電源線濾波器一樣的單級(jí)或多級(jí)電路。然而，在多數(shù)情況下，信號(hào)是數(shù)字化的或高電平模擬信號(hào)，對(duì)干擾不很敏感，因此可采用R、L、C、RC、LC、T、或π型濾波器，如圖4所示。

圖4 各種信號(hào)線濾波器

R和L濾波器的基本工作原理是產(chǎn)生一個(gè)高阻抗以反射干擾，但這通常僅能獲得幾個(gè)dB的衰減。當(dāng)源和負(fù)載阻抗都較低時(shí)，這種濾波器是最適合的。L濾波器能產(chǎn)生諧振，因此最好由軟鐵氧體磁性材料做成（參見(jiàn)下述部分）。由于電阻中存在0.2 pF左右的寄生旁路電容，因此R濾波器在高頻時(shí)會(huì)失去濾波效能。

C濾波器能產(chǎn)生一個(gè)低阻抗來(lái)反射干擾，通常用在源和負(fù)載阻抗都比較高的場(chǎng)合。通常，C濾波器的性能曲線看起來(lái)都是比較理想的，但實(shí)際上遠(yuǎn)不是這樣。

具有較大R值的RC濾波器是比較理想的，因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生明顯的諧振。但當(dāng)信號(hào)頻率在幾kHz以上，或傳輸率在kB/s以上的電路中，高R值（最好是取10k左右）是不適合的。

LC、T和π型濾波器可以有更高的衰減值，但當(dāng)它們連接到非50的源和負(fù)載阻抗的環(huán)境中時(shí)會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在電感上裝入鐵氧體來(lái)解決。鐵氧體在低頻（有時(shí)可達(dá)10MHz左右）時(shí)呈電感特性，但在較高的頻率處，它們失去了電感特性而表現(xiàn)出電阻特性。鐵氧體磁珠在100MHz時(shí)的有效阻抗超過(guò)1k，但直流時(shí)的阻抗則小于0.5，因而在無(wú)用頻率處呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，在有用頻率處呈現(xiàn)低阻狀態(tài)?，F(xiàn)在可以采購(gòu)到型號(hào)眾多的SMD鐵氧體磁珠來(lái)滿足各種頻譜的需要。

射頻濾波器的一個(gè)鮮為人知的特性就是當(dāng)它不連接到良好的射頻參考地時(shí)，其效果是很差的。唯一能夠作為射頻參考地的是PCB上的實(shí)心地平面、金屬板或金屬殼體（“法拉第籠”），理想情況下，在被濾波的最高頻率處，它們都不應(yīng)有大于波長(zhǎng)1/100的孔洞（空氣中1GHz時(shí)3mm，或者在FR4纖維玻璃板中為1.5mm）。

濾波器中的電容與射頻地之間的連線也應(yīng)小于波長(zhǎng)的1/100，同時(shí)還要保證電感很低。這就是說(shuō)，除非在極低的頻率下，否則安全地的綠/黃色導(dǎo)線不能作為濾波器地線。例如，如果裝有2.2nF的Y型電容的電源線濾波器通過(guò)一根10cm長(zhǎng)的綠/黃色導(dǎo)線接地，那么，在20MHz以上的頻率時(shí)，由于地線電感的影響，其Y型電容將失效。

在估計(jì)綠/黃色導(dǎo)線地線的搭接性能時(shí)，可以假設(shè)導(dǎo)線的電感值約為1nH/mm。濾波器唯一正確的連接是將濾波器殼壁直接與射頻地參考面或殼體連接起來(lái)。當(dāng)然，只要有直接的射頻地線搭接，那么出于安全考慮，裝入綠/黃色導(dǎo)線也未尚不可。

如果濾波器要安裝在PCB板上，其電容必須直接連接到地平面上。如果沒(méi)有地平面，安裝含有電容的濾波器是勞而無(wú)功的。如果濾波器安裝在一個(gè)金屬板或屏蔽殼體上，那么它必須是導(dǎo)電連接的，有時(shí)甚至有必要在濾波器安裝面貼上一圈導(dǎo)電襯墊，以使濾波器殼體與其搭接的金屬面間形成無(wú)縫隙的射頻搭接。

軍用信號(hào)濾波器一般屬于C和π型，因?yàn)槎鄶?shù)常見(jiàn)的軍事設(shè)備都有一個(gè)很結(jié)實(shí)的、設(shè)計(jì)完善的射頻地（金屬澆注機(jī)箱）。因此，這種場(chǎng)合使用的濾波器一般不會(huì)受到射頻地不良所帶來(lái)的影響。

不過(guò)，對(duì)民用品、商業(yè)用品及工業(yè)制品來(lái)說(shuō)，射頻地的完整性通常是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)榈锰幪幙紤]產(chǎn)品成本。因此，我發(fā)現(xiàn)在這種情況下，性能較好的信號(hào)線濾波器一般是RC、LC或T型的，將電阻或電感連接到外部導(dǎo)線上。這將使射頻參考地線上的射頻電流比C或π型濾波器產(chǎn)生的射頻電流小得多。

如果一條電纜有多束芯線，通常最好的辦法是將所有的芯線穿過(guò)一個(gè)共模扼流圈。如果減小敏感信號(hào)之間的串?dāng)_十分重要，則可以對(duì)芯線中各個(gè)信號(hào)分別采用共模扼流圈。圖5表明用于五芯電纜的五路共模扼流圈的一個(gè)例子。表貼共模扼流圈在差不多5mm的正方體殼體內(nèi)可達(dá)八路之多。

如果電源線濾波器不允許來(lái)自數(shù)字電路的900MHz的諧波泄漏到電源線中，這時(shí)就應(yīng)考慮濾波器和屏蔽體的優(yōu)化配合。這些接近微波頻率的諧波會(huì)使產(chǎn)品的輻射發(fā)射加強(qiáng)。

射頻濾波器的另一個(gè)鮮為人知的特性就是要將濾波器與屏蔽視為一個(gè)整體，兩者相輔相成。錯(cuò)誤的濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或安裝方法很容易使產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)。

?濾波器的結(jié)構(gòu)和安裝

如果欲在高頻獲得極佳的濾波性能，那么濾波器很容易由于其PCB走線和/或?yàn)V波與未濾波分界面上導(dǎo)線的射頻泄漏而使其性能發(fā)生降級(jí)。許多工程技術(shù)人員對(duì)濾波器周?chē)纳漕l泄漏疑惑不解，濾波和未濾波走線及導(dǎo)線必須盡可能地彼此遠(yuǎn)離，而且沒(méi)有其他走線或?qū)Ь€穿過(guò)附近濾波/未濾波的邊界線，通常，對(duì)濾波器未濾干凈的殘余泄漏采用屏蔽技術(shù)是非常必要的。

如果外部電纜濾波后進(jìn)入具有地平面的PCB板或用作射頻地的一個(gè)工業(yè)儀表面板，濾波器應(yīng)安裝在電纜進(jìn)出PCB板或儀表面板的位置上，并且要直接連接到射頻地線上。

如果外部電纜經(jīng)濾波后進(jìn)入屏蔽機(jī)柜，濾波器應(yīng)安裝在機(jī)柜的壁上，并且要在安裝孔的周?chē)恢芘c柜壁進(jìn)行導(dǎo)電連接。隔離式濾波器是最好的選擇（例如，穿心電容），但一般都比較貴而且難于安裝。

市場(chǎng)上也可以采購(gòu)某些型號(hào)的濾波連接器，比如D型連接器（通常只有1nF的電容，不過(guò)磁珠、T和π型濾波器也是有效的）。

就電源線濾波器（通常適用于0-400Hz的頻率，且性能基本不變）來(lái)說(shuō)，面板安裝的濾波器通常采用IEC插座。將這種金屬外殼的帶IEC插座的濾波器安裝在屏蔽體上，如果濾波器殼體上沒(méi)有縫隙，并且按圖6所示的辦法將它四周電氣連接到屏蔽金屬件上，可在數(shù)十兆赫茲的頻率范圍內(nèi)獲得較好的性能。有些廠商僅一味追求濾波器能否在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試頻率（達(dá)到30MHz）范圍內(nèi)正常工作，這種濾波器的成本較低，但使濾波器的屏蔽完整性受到影響，從而使產(chǎn)品不能通過(guò)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的輻射發(fā)射試驗(yàn)。

圖5 屏蔽體上電源線濾波器的安裝方法

在大功率場(chǎng)合中，多數(shù)電源線濾波器采用螺釘接線方式，從而使隔離板安裝不可能。圖5表明鏍釘安裝的濾波器采用“臟盒”方法，同時(shí)用一個(gè)外層屏蔽盒將其封裝在一個(gè)屏蔽的“臟盒”內(nèi)。即使臟盒中的輸入和輸出電纜很短而且彼此遠(yuǎn)離，高頻仍然可以泄漏出去，因此需要對(duì)某一條電纜或所有電纜套裝磁環(huán)來(lái)解決。

總結(jié)如下：

1、如果未經(jīng)過(guò)對(duì)儀器的EMI、EMS指標(biāo)測(cè)試就選定了濾波器，基本上屬于“盲人騎瞎馬、夜半臨深池”的主兒；

2、如果機(jī)器上選擇的是一個(gè)市面上買(mǎi)來(lái)的通用濾波器，這個(gè)濾波器基本上是可以不加的；

3、濾波器8分定制、2分通用才算比較靠譜。

下此結(jié)論的原因是因?yàn)樽罱龅降暮脦灼鹗虑椋技恿藶V波器，但傳導(dǎo)就是不過(guò)，最后還是根據(jù)測(cè)試結(jié)果給設(shè)計(jì)了個(gè)濾波器樣品，一裝上ok才算pass，其實(shí)設(shè)計(jì)本身也并不復(fù)雜，不過(guò)多加了一級(jí)差模電容和差模電感、或調(diào)整了一下濾波器電感電容的參數(shù)而已。通用型的IEC插座濾波器，里面的空間很小，一般只能放得下2個(gè)共模電容、一個(gè)差模電容和一個(gè)共模電感，靠這點(diǎn)東西就能放之四海而皆準(zhǔn)，難度莫大焉。