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标题: EMC中的滤波设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 20:30
标题: EMC中的滤波设计
电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行优化设计，使之成为符合各国或地区电磁兼容性EMC标准的产品。电磁干扰一般分为两种，传导干扰和辐射干扰。
电磁兼容(EMC)指的是设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC是评价产品质量的一个重要指标。EMC分为电磁干扰(EMI) 和电磁抗扰度(EMS)。
目前，世界上很多国家对于电子信息产品的EMI/EMS均有严格的管制措施，如美国FCC、欧盟的CE、日本的VCCI及电气用品取缔法，大洋洲的SMA，加拿大、韩国等国家均有专司EMI/EMS的管制法规条文，对于销往这些国家或地区的产品都须先经过测试合格，方可合法的运送及销售。
电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行优化设计，使之成为符合各国或地区电磁兼容性EMC标准的产品。电磁干扰一般分为两种，传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。
E M C设计
为了使设备或系统达到电磁兼容状态，通常应用印制电路板设计、屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地和电缆设计等技术。防止电子设备产生干扰最好的方法是，采用金属机壳对电磁场进行屏蔽，以及对电源输入电路进行隔离。并且还要对变压器也进行静电感应和磁感应屏蔽。在塑料机壳内表面喷涂导电材料也是一种对电磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料机壳内表面喷涂石墨，对超高频电磁屏蔽效果就非常好，因为石墨既导电又有电阻，是吸收电磁波的良好材料，它不容易对电磁波产生反射，并对电磁波产生衰减作用。如果只从屏蔽效果来比较，石墨对电磁场屏蔽的效果的确不如导电良好的金属，但金属屏蔽也有缺点，它最大的缺点就是产生电磁波反射，并使电磁反射波相互迭加，严重时会产生电磁振荡。
当被屏蔽干扰信号的波长正好与金属机壳的某个尺寸接近的时候，金属机壳很容易变成一个大谐振腔。当某一干扰信号频率正好在谐振腔中产生谐振的时候，电磁波反而会被加强。被加强的干扰信号，一方面会破坏设备自身的正常工作；另一方面干扰信号也会从金属机壳的裂缝逃逸出去，产生辐
射干扰。
任何直接穿透屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的失效。在实际中，很多屏蔽严密的机箱(机柜)就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败。判断这种问题的方法是将设备上在试验中没有必要连接的电缆拔下，如果电磁兼容问题消失，说明电缆是导致问题的因素。解决这个问题的有效方法之一是在电缆的端口处使用滤波器，滤除电缆上不必要的频率成分，减小电缆产生的电磁辐射，也防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内。

滤波
1.干扰滤波在EMC设计中作用
概括地说，滤波器的作用是仅允许工作必需的信号频率通过，而对工作不必需的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减少。
从电磁兼容的角度考虑，电源线也是一个穿过机箱的导体，它对设备电磁兼容性的影响与信号线是相同的，因此电源线上必须安装滤波器。特别是近年来开关电源广泛应用，开关电源的特征除了体积小，效率高，稳压范围宽外，强烈的电磁干扰发射也是一大特征，电源线上如果不安装滤波器，不可能满足电磁兼容的要求。
安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器。之所以这样划分，主要是因为两者除了都对电磁干扰有较大的抑制作用外，分别还有一些特殊的考虑。信号线干扰滤波器还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。电源线干扰滤波器除了要保证满足安全方面的要求外，还要注意当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和(导致滤波器性能下降)。
2.共模干扰和差模干扰
电缆上的干扰分为共模干扰电流和差模干扰电流两种，如图1所示，由于对这两种干扰电流的滤波方法不同，因此在进行滤波设计前必须了解面对的干扰电流的种类。

1)共模干扰电流。干扰电流在电缆中的所有导线上幅度/相位相同，它在电缆与大地之间形成的回路中流动。造成这种干扰的原因有三个：一个是外界电磁场在电缆中的所有导线上感应出电压(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，在这个地电压的驱动下产生电流；第三个原因是设备上的电缆与大地之间有电位差，这样电缆上会有共模电流。
从定义容易理解，共模电流不会对电路产生影响，当共模电流转变为差模电流(电压)时，才会对电路产生影响。另外，如果电缆上产生共模电流，则会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其他设备造成干扰。
2)差模干扰电流。干扰电流在信号线与信号地线之间(或电源线的相线和零线之间)流动。在信号电缆中，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的。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(特别是开关电源)发射出的和感性负载通断时产生的。
开关电源工作时，在电源线上既会产生很强的共模干扰，也会产生很强的差模干扰。电网中电感性开关的通断，会产生差模的脉冲干扰，空间的电磁波(通信、雷达和雷电等)在电缆上感应出共模干扰，2台设备之间的地线电位导致共模电流。
3.干扰滤波器的种类
滤波器的各种性能如图2所示。

电磁兼容设计中，低通滤波器用得最多，因为：
1)电磁干扰大多是频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合。
2)数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必须滤除，以防止对其他电路产生干扰。
3)电源线上的滤波器都是低通滤波器。
高通滤波器用在干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。
带通滤波器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。
带阻滤波器用在干扰频率带宽较窄，而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。
4.常用滤波电路
在电磁干扰抑制中，低通滤波器使用得最多。因此下面对低通滤波器作较详尽的介绍。低通滤波器的种类如图3所示。
常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地线之间或信号线与机壳地或大地之间，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。
2)不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗。
5.制作有效的滤波器

增加滤波器的器件数仅增加了过渡带的斜率，而不能改变滤波器的截止频率。滤波器的截止频率与滤波器件的参数有关。例如，要增加滤波器对较低频率干扰的衰减，只能通过增加电感的电感量或电容的电容量。
当信号频率与干扰频率靠得很近时，需要滤波器的阶数较高。考虑到器件的误差，有时过渡带的陡度不能达到理论值，因此要留有一定的余量。
阻抗与滤波电路关系如表所示，可根据下表选用滤波电路。
实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时，由于电路寄生参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路的阻抗往往还与电路的工作状态有关，再加上在不同的频率上电路阻抗也不一样。因此，在实际中，哪一种滤波器有效主要靠试验确定。
滤波器的电路形式确定以后，需要确定电感、电容的参数。电感、电容的参数决定了滤波器的截止频率。
实际的电容器除了电容量以外，还有电感和电阻分量，用LC串联网络来等效。实际电容器当发生串联谐振时电容的阻抗最小，旁路效果最好。超过谐振点后，电容器的阻抗特性呈现电感阻抗的特性，即随频率的升高而增加，旁路效果开始变差。这时，作为旁路器件使用的电容器就开始失去旁路作用。
电磁兼容设计中使用的电容要求谐振频率尽量高，这样才能够在较宽的频率范围(10 kHz～1 GHz)内起到有效的滤波作用。提高谐振频率的方法有两个一个是尽量缩短引线的长度，另一个是选用电感较小的种类。从这个角度考虑，陶瓷电容是最理想的一种电容。在谐振点以下及附近，实际电容的阻抗比理想电容的要低，因此当干扰的范围较窄时，可以利用这个特性，通过调整电容器的电容量和引线长度来使谐振频率正好落在干扰频率上(或附近)提高滤波效果。陶瓷电容的容量随着工作电压、电流频率、时间和环境温度等变化，电容器使用的介质介电常数越高，这些参数越不稳定，这是必须引起注意的。另外，介电常数高的电容器容易发生击穿，在需要做浪涌试验的场合，一定要注意。之所以使用介电常数高的介质，是为了在较小的体积内获得较大的容量。电磁兼容设计所面对的往往是宽带干扰信号，频率范围从几千赫到1 GHz以上。要滤除这么宽频带的干扰，在电容和电感的使用上要十分注意。从前面的讨论知道，普通电容器很难解
决这个问题。在实践中，克服电容非理想性的方法有大小电容并联和选用比普通电容具有更高谐振频率和滤波效果的三端电容器。要彻底解决宽带滤波
的问题应该使用穿心电容，以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波。
实际的电感器除了电感参数以外，还有寄生电阻和电容，等效电路是一个LC并联网络。当发生并联谐振时，电感的阻抗最大，超过谐振点后，电感器的阻抗特性呈现电容阻抗特性，即随频率增加而降低。电感的电感量越大，寄生电容也越大，电感的谐振频率越低。为了防止电感本身的“电磁兼容”问题，往往将电感
屏蔽起来。
由于滤波器会发生插入增益，因此根据厂家提供的数据选择滤波器就有一定的风险。可能从厂家提供的插入损耗数据看滤波器完全符合要求，但是实际效果并不理想。为了避免这种情况的发生，可使用最坏测试条件，许多厂家也给出在这种“最坏条件”下测量的数据供用户参考。
普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的，它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，就会有一部分能量被反射回信号源，造成干扰电平的增强。为解决这一弊病，可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套，利用磁环或磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，所以有时也称之为吸收滤波器。不同的铁氧体抑制元件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制的频率就越低。此外，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下，还存在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。EMI吸收磁环/磁珠
抑制差模干扰时，通过它的电流值正比于其体积两者失调造成饱和，降低了元件性能；抑制共模干扰时，将电源的两根线(正负)同时穿过一个磁环，有效信号为差模信号，EMI吸收磁环/ 磁珠对其没有任何影响，而对于共模信号则会表现出较大的电感量。
结束语
电磁兼容设计是一个技巧性很强的工作，同时EMC领域又是一个试验性很强的学科，必须做大量的试验并加以分析、判断，需要大量的经验积累，不断实践才会有所提高。

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