如何滤除信号线上的高频小信号放大器干扰

解除数字电路中的干扰方法_电源_中国百科网
解除数字电路中的干扰方法
    &&& 由于数字电路是利用上升沿/下降沿很短的脉冲信号,所以会向外部放出包括高频成分的多余电磁波(噪声),而且对外部来的电磁波(噪声)敏感地响应,造成误动作。另外在电路内部也存在线间产生交调失真、数字器件的通/断时电流急骤变化引起电源电压变动等问题。这样就需要在数字电路中考虑布线的电感和寄生电容构成的分布常数电路、防止上冲、下冲造成波形的混乱及信号反射、延迟、衰减、线间电磁干扰的交调失真。而解决这问题的滤波器、屏蔽等都是模拟技术。&
  由于数字电路技术在汽车、火车、收音机控制中的应用,高可靠性地实现了以前用模拟技术无法实现的高功能。但是由于噪声会引起系统及电路误动作,尤其对机器为系统是致命的问题。而模拟电路即使有噪声,也只是暂时降低数据的精度,一旦噪声消失,就具有自我恢复功能的特征。因此将实现高功能的数字电路和具有自我恢复/自我确认能力的模拟电路组合应用,对防止移动控制系统、数字电路噪声引起的误动作将会是一种安全的方案。&电路设计时要特别注意的地方&  在电路设计后,为了进行工作验证,需要组装电路进行实验。但是结果会经常出现不按设计那样工作。例如设计的放大器却变成了振荡器,在模拟电路中由于混入数字电路来的噪声,使模拟信号的波形失真、工作不稳定、不能顺利得到数据。&  对低频电路来说,无论谁组装,只要布线不接错,各种不同的安装、布线、电路特性几乎没有差异,可得到相同的数据。但是高频却不同了,由于安装方法不同,一般会得到不同特性的数据。&  在高频电路及高速数字电路中,如果有一条线就会形成电感成分(寄生),如果有两条线则在线间就会形成寄生电容成分及互感成分(寄生),即所谓三寄生。所形成的三寄生数值是很微小的,因此在低频时几乎不成问题,但是在高频领域却不能忽略该C、L成分的影响。&  最近为了提高机器的性能,经常将从低频到高频的模拟电路、高速数字电路、微型模拟电路及大电流电路等各种电路混在一起,这样会造成电路的不稳定及频率特性恶化。其中主要原因就是在设计时未充分考虑上述三寄生,而无法维持可靠性和安全性。&  另外,电路图中只用二维表现半导体器件及R、C、L的集中参数,但这并不能代表实际电路的性能和功能。实际的动作是三维空间,包括频率就是四维空间了。因此,由交调失真、反射、静电、电磁结合形成的微电流电路在高频电路中会对特性、功能造成影响。最近的IC想根据时代的要求,很多是高速动作的器件,对高频噪声的响应很敏感。因此在使用器件时要根据电路功能选择相应的元器件,尽量避免使用高于要求的高速IC。&  在电路图中通常将电源、地线、信号线的阻抗均按零欧姆考虑的。但是实际上是不存在零欧姆的,而且频率越高,电感和寄生电容的影响越大。结果,电路相互结合及外部电磁场的影响大到不能忽略的程度,造成电路不稳定及频率特性恶化。在模拟电路中应解决误差、噪声及时间延迟问题;而数字电路中解决抗噪声,通过同步使之不受时间延迟的影响,对改善电路特性是非常重要的。&必须注意动态噪声“静电”的影响&  能引起电气误动作的噪声源很多,例如我们周围的日光灯、除尘器、无线电收发信机、、变换器等。这些都是属于电磁场噪声源。除此之外,引起误动作的噪声源是静电放电。&  由于静电放电电流和瞬间产生的高电压会使IC破坏,从而使系统或造成误动作和故障。为了防止静电放电,从元器件的购买到设备的设计、生产和包装都要采取必要的措施。在设计方面可以采取以下措施:&  (1)避免使用超出要求的高速IC、特别是注意输入电路。在可能的情况下输入电路采用差分方式。滤波电路要紧靠IC连接。&  (2)对半导体进行输入保护。在连接器的输入部分为了使噪声控制在半导体耐压值以下而加入限幅电路。由于CMOS栅极抗静电噪声性能弱,所以不易用于连接器的输入部分。&  (3)避免使用边沿解发型IC,而使用选通方式或带门闩的电路。&  (4)为了抑制误动作的发生率,在控制端、输出端应做成低有效逻辑。&  (5)对高灵敏度的信号输入要进行滤波。将频带外的高频滤除,这对运算放大器不输入过大的信号是很重要的。还要注意所用电容器的引线电感。&  (6)在软件方面也要采取了一些措施。由于静电放电是一次性过渡脉冲,所以可通过多次校验检出错误数据。在微机中为了防止意外停止而设置看门狗电路(监视电路)。&  (7)电子电路及布线要远离放静电的金属机箱。&  (8)机箱的金属和金属连接部分要除去涂料紧密相接,尽可能加螺钉固定。&  为了减少由放电电流产生的电磁场影响,在印制电路板上应该采取如下措施:&  (1)减少环面积。&  在所形成的环中由于磁通交联,会在该环中感应电流,环的面积越大磁通交联的越多,感应的电流也就越大。因此为了使电源、地线所形成的环面积最小,应使电源和地线尽量接近布线。在电源、地线之间安装高频旁路电容,使环面积减少。为了减小信号线和地线之间形成的环面积,将信号接近地线进行布线。&  (2)使布线最短。要考虑信号线长度的分配,设计时将低有效信号线加长,而将高有效信号线做成最短。各器件相互间的布线做成最短,并将连接在输入输出线上的器件安装在端子的附近。&  (3)使用多层线路板,这是在模拟电路及高速数字电路中觉见的。&  在高速数字电路中,脉冲信号的频谱具有非常宽范围的高次谐波成分。使用的工作频率越高,受寄生电容、电感的影响越大。假设具有电感L的图形上流过高频电流I,则电感L产生的压降为:&  V=L?di/dt&  该图形就像一个天线,将辐射噪声发送出去。将地线做成面可减少地线的阻抗,降低放电电流产生的电压降。&  对接口电缆应采取防静电措施:&  电缆的屏蔽线两端连接在机壳上。在可能产生地线环的地方为使高频短路而加旁路电容。在无机壳地时也不应该与逻辑地连接。对于扁平电缆可在信号线和信号线之间加入地线。&开关电源用作模拟信号电源时应注意的问题&  所谓开关电源是通过脉冲调制方式稳定输出电压的电源电路形式。这种方式由于只是开关部分消耗功率,所以开关速度越快电源的效率越高,因此一般使用高速开关器件。这种电源由于效率高,从大功率的机器到小型轻量的机器应用非常广泛。但是伴随着高速开关动作而存在着开关噪声漏出的缺点,这种用作模拟电路的电源,将会产生很多问题。&  将开关电源用作模拟电路的电源使用时,高频噪声就会进入模拟信号的频带内,使模拟信号的信/噪比变坏。虽然开关噪声一般只是50~100mVpp,相当小,但由于模拟信号的动态范围大,这样的噪声经常会产生问题。特别是用于A/D变换器等机器中时,当在判断变换时的电平时刻信号上重叠了噪声,就会产生变换错误,从而得不到预期的精度。&  为了解决在模拟电路中使用开关电源存在的问题,可以在选择开关电源时注意以下两个方面:&  (1)开关电源的噪声电平尽量小;&  (2)开关噪声成分不进入信号的频带内。&  由于模拟信号的电平高,开关噪声对信号噪声比就不会产生影响。为了使开关噪声不进入信号频带,最简单的方法是选择比模拟信号的最高频带更高开关频率的电源。&  在无法按上述办法选择时,就必须想办法减少电源产生的开关噪声。这些方法包括:&  (1)在外部增加电容器。&  (2)通过外部电源产生的开关噪声。&  (3)并用系列调节器。&  图6是低噪声开关电源的电路例子。该电源的用了3个绕组,在绕组间可以清除噪声。这种电源是可使用在通过传输线路供给电力的通信机的高效率电源。通信机的接收部分是利用电感非常低信号的模拟电路,当使用这种低噪声开关电源时,可以同时解决效率问题和噪声问题。
收录时间:日 23:12:29 来源:-- 作者:匿名
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高频信号干扰
来源:本站整理
作者:佚名日 11:30
[导读] 高频信号干扰
问:我听说射频(RF)信号能使低频电路产生奇怪现象。这究竟是怎么 回事?
答:我有一次去法国
高频信号干扰
问:我听说射频(RF)信号能使低频电路产生奇怪现象。这究竟是怎么 回事?
答:我有一次去法国,因为ADI公司的压频转换器(VFC)AD654发生“精度不合 格”问题。在我的实验室测量这个有问题的器件发现该器件性能稳定并且符合技术指标要求 ,但是当我返回用户那里进行测试则不能重复我的测试结果。正当我想到事件发生的现场去 考察以证实我 的怀疑的时候,我发现该用户所在城市有一家名叫“La Cognette”饭店有三个卫星通信天 线。这个问题我没有轻易放下,对用户进行考察感到更加有必要。在英格兰 认真考察在 Bo eing 风洞测试数据偏差的Herman Gelbach,答应过来帮助我,并认为这是一个很有 趣的技术问题(但是在他决定帮助我之前,我注意到他认真地调查了有关卫星通信天线的情 况)。
从英格兰南部的Newbury城ADI公司的办事处出发驱车到法国的中心,开车用6个小时, 汽车轮渡英吉利海峡用 6个小时,并且从左侧通行改为右侧通行。不管怎样,开车比乘飞机好,因为汽车能带较多 的测试设备(和便携式移动电台以及两个移动电话)。
当我们考察用户的工作环境时,我们来回穿越巨大的短波发射天线。我们开始猜测问题 可能出在这里,然后当我们进入实验室时,我携带一个2米波段手持对讲机放在衣服口袋里 。当用户报告时,AD654确实性能不稳定,VFC的输出频率在几分钟时间内其等效电压偏移可 达几十毫伏(mV)。我把手冷静地插入口袋里,并且按下我的对讲机的发射按钮,此时输出频 率的等效值电压跳到150 mV,从而验证了高频干扰带来的问题。后来比较正式的测试结果表 明当地(法国海外广播电台)发射机在我们用户工作范围内产生的高频场强每米为几十或几百 毫伏(mV/m)。
由此可见,精密测量电路中的许多不稳定问题都可以归结到高频干扰, 除非音响系统 不接受附近广播电台播放很强的摇滚音乐。用户忽视了这种不稳定的干扰源并且责备放大 器或数据转换器生产厂家,这是很正常的。
此外,用大功率信号去影响AD654是不常见的,因为AD654是一种单端输入并且对RF信号 又相当不灵敏。但对于具有差分放大作用的仪表放大器却是比较常见的,因 为仪表放大器的两个输入端对地输入阻抗很高,因此 容 易受到低功率(来自个人计算机PC辐射)RF干扰(请见ADI公司出版的 Analog Devices System ?Design Seminar Notes 和 System Application Guide,1993)。
在仪表放大器中很重要的一个因素是共模抑制随频率增加而减小(从很低的频率开始减 小),即失真随频率增加。这样不仅仅是不抑制高频共模信号,而且使高频共模信号失真, 产 生失调。对于RF干扰可能性很强的应用场合,AD830差分放大器具有很宽的共模抑制,它是 为线接收器应用而设计的。AD830可能是仪表放大器有用的替换。
传感器通常用长电缆将其连接到信号调节电子设备。无线电工程师对于这种几根长 导线有一个专有名词,称之为“天线”。从传感器到其电子设备之间的这种长馈线将按照同 样的表现行为也会起到一个天线的作用,即使我们不希望它起到天线的作用也是如此。如果 传感器的外壳接地就设有问题了,因为在高频情况下外壳的电抗和馈线使整个系统起到一个 天线的作用,而且天线接受的任何高频信号(电场、磁场或电磁场)都将出现在阻抗上。对于 上述高频信号最可能的终止位置是在放大器的输入端。精密低 频放大器很少与大的高频信号耦合,所以输出结果只表现出常见的可调整失调误差。问:这种情况对我来说不可能会发生!
答:我可不认为你不会遇到这种情况。如果你认为你的电路不会遇到这种问题, 我愿跟你赌一顿午餐,我总是会很容易地赢得这顿午餐。在2米(144~148MHz)范围内,我使 用一台手持对讲 机,在1米距离内每秒1瓦的功率几乎每次都会赢得这顿午餐,而这个不太引人注目的测试却 同样地令人信服。
断开传感器及其引线。将放大器的输入端对地用尽量短的连线短路,然后测量放大器的 输出端,在几分钟时间范围内观测其输出稳定。现在除去短路,恢复传感器引线,并将其置 于正常工作环境。在传感器的输出端禁止激励和短路。再测量放大器的输出端,发现其输出 随时间变化。缓慢下降。
使用高频示波器(或频谱分析仪更灵敏,但判读性差)常常有可能观察到高频噪声,而且 在放大器的输入端常模和共模两种形式的高频噪声都存在。但是肯定对常模噪声测量产生怀 疑,因为示波器本身(即其电源和探头引线)所产生的干扰信号可能使测量无效。如果在测量 点和示波器输入端之间使用一个简单的宽带变压器可以使示波器的影响减到最小,如图16? 1所示。但这种变压器的阻抗相当低,会增加被测电路的负载。
图16?1 在测量点与示波器输入端之间接一个宽带变 压器由于禁止对传感器的任何激励,并且将示波器的地接到印制线路板的输入地,又把传感 器的所有引脚一起接到示波器的输入端,所以很容易观测到共模信号。所有这些共模信号幅 度常常达到几百毫伏并且其频率范围从低频到几十或几百兆赫。
现实世界到处都充满高频噪声源:无线电台、警察局手持对讲机的人、车库大门开启工 具、太阳、超新星、开关电源和逻辑信号(例如个人计算机)。因为我们不能消除现实环境中 的高频噪声,所以我们在高频噪声抵达精密放大器之前,必须从低频信号中把它滤掉。当信号带宽仅有几赫时,我们可以使用最简单的防护方法。在放大器前面接一个简单 的RC低通滤波器对常模和共模高频噪声都有防护作用。相应的电路如图16?2所示。在选择 电 路元件时有两个重要问题应该考虑。阻抗R和R′(图中示为1 kΩ,相应的放大器偏置电流为 几个纳安或更低)必须选择适当,以便当放大器的偏置电流流经它们时不使失调电压明显增 加。另外常模时间常数(R+R′)C2一定要比共模时间常数RC1和R′C′1大得多。否则 ,为了避免共模信号转换成两个差分输入之间的信号过程造成的不平衡,要求两个共模时间 常数必须匹配得非常好。
如果信号带宽较宽,那么这种简单的滤波电路就不再适合,因为这时会把有用的高频常 模信号和无用 图16?2 简单的RC低通滤波器 的高频共模信号都滤掉。如果把大的高频共模信号接到放大器,很可能受到共 模向常模转换及次检波(minor rectification)产生的低频误差的影响,所以必须使用既 抑制高频共模信号又通过直流和高频常模信号的滤波器。
这种滤波器如图16?3所示,它是许多年前由Bill Gunning设 计的,它与用于长途电话线路的幻象电路(phantom circuit)有关。它使用紧耦合的“三 组抽头”变压器,有三个绕组,其精确匝数比为1∶1∶1。这种变压器任一绕组上的交流 电压都将耦合到其它 两个绕组上。图16?3 用一个“三组抽头”变压器滤掉高频噪声 该变压器防护绕组的一端接到信号源的地,另一端接到放大器的防护端(guard pin) 或分压比较端,这个防护绕组的作用相当于把放大器“看作”接成一个电容器的常用作法。 高频共模信号将加到(被规定的)下层绕组,并且包含与其它两个绕组都相等的共模电压,这 样减去与每个绕组相串联的共模电压,从而有效地抵消了放大器输入端的高频共模信号。当然还有一些潜在的问题。与变压器相串联的电容器几乎是防护电路的主要元件,用来 阻塞直流和低频信号并且防止防护电路中的低频电流致使变压器磁芯饱和。从放大器防护端 看进去的阻抗一定要比变压绕组阻抗低许多,这样在甚高频情况下,变压器的容抗将允许信 号漏泄或者可以产生相移。如果用这种变压器必须处理很宽的共模频率范围,那么这些问题 必将导致对变压器设计的不相容限制。在这种情况下,可以考虑如下图那样使用两个独立的变压器加倍消除高频噪声——其中 一个靠近具有高感抗(相应的容抗也很高)放大器,另一个具有很高的甚高频(VHF)效率。还可以采用其它方法:放大器尽量靠近传感器而且用载有数字信号的导线(或光导纤维) 取代传输模拟信号的长电缆,其中数字信号受干扰程度可能差一 点儿,所以对它再进行屏蔽通常(但不总是)有改善。并且有时(但不常见)有可能减少无 用HF信号的概率。即使你远离电台和警察局,那么意想不到的烘馅 图16?4 用两个“三组抽头”变压器滤掉高频噪声 饼运货车辐射出的噪声信号进入底座的可能性总是存在的。 虽然最重要的考虑是意识到高频干扰的可能性,但是还要准备处理这种干扰。如果电路 设计总是预料无用的HF干扰,那么最好的可能性是充分预防——当你还没想到是卫星天线带 来的影响时,已经事先采取预防措施了。问:那么法国用户的问题是如何解决的?
答:他们的问题用2只电阻器、三片电容器和一块接地铜片便解决了问题。我们离 开La Cognette 饭店,凯旋而归。问:最后,请你讲一下有关电源去耦问题。
答:所有精密模拟集成电路(IC)甚至低频电路都含有截止频率为几百兆赫的晶体 管 。因此这些器件的电源必须对地去耦,在尽量靠近IC高频处返回以防止在甚高频情况下的不 稳定性。使用的这种去耦电容必须具有低自感而且其引线应该尽可能短(最好用10~100 nF 表面安装陶瓷电容芯片,但其引脚长度如果小于2 mm一般最为有效,见图16?5。)低频去耦也很重要,因为电源抑制(PSR)通常在直流条件下规定并且随电源脉动频率的 增加而明显变坏。在某些高增益应用中,通过公共电源阻抗的反馈 理想的高频去耦要求:1.低电感电容器(单片陶瓷电容器)2.靠紧集成电路安装3.短引脚电容器4.短而宽的导电带使用钽电解电容进行旁路可提供好的低频去耦。这种长引线没有好处能够产生低频不稳定(低音频振荡)。但对每个集成电路都进行低频去耦,通常是没有必要的 。 电源去耦不只是防止不稳定。运算放大器(至少)是有四个端子的器件,因为对于两个信 号输入端和一个信号输出端来说肯定有一个返回路径。习惯上把运算放大器的两个电源(指 有正、负电源的运算放大器)的公共端看作输出信号的返回路径,但实际上,其中一个电源 将是真实的高频返回路径。所以对放大器这个电源端的去耦问题,必须既要考虑正常高频去 耦又要考虑输出地返回路径的去耦。
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版权所有 & 深圳华强聚丰电子科技有限公司解决LED电源EMI问题:切断干扰信号的传播途径
 &>&&>&&>&&>&正文
2.切断干扰信号的传播途径①电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的抑制作用。②改善PCB板的电磁兼容性设计PCB是LED电源系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对LED电源系统的电磁兼容性影响很大。实践证实,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对LED电源系统的可靠性产生不利影响。PCB抗干扰设计主要包括PCB布局、布线及接地,其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。还有,一般变压器电磁干扰引发的交流声频率一般为50HZ左右,而地线布线不当导致的交流声,由于整流电路的倍频作用频率约为100HZ,仔细区分还是可以察觉的。正确的布线方法是,选择主滤波电容引脚作为集中接地点,强、弱信号地线严格区分开,在总接地点汇总。因此,在设计印刷电路板的时候,应留意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰的设计要求。3.增强受干扰体的抗干扰能力在LED电源系统中输进/输出也是干扰源的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,我们设计时一般要采取有效的措施:①采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进进。②在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。③防雷击措施室外使用的LED电源系统或从室外排挤引进室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击题目。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导进大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。
电磁兼容(EMC)是在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收,以及这种能量所引起的有害影响。电磁兼容的目标是在相同环境下,涉及电磁现象的不同设备都能够正常运转,而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力。习惯上说,EMC包含EMI(电磁干扰)和EMS(电磁敏感性)两个方面。电磁干扰(EMI)是指任何在传导或电磁场伴随着电压、电流的作用而产生会降低某个装置、设备或系统的性能,或产生不良影响的电磁现象。LED电源电磁干扰,工程师要考虑的主要方面有:电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。对于设计LED电源的工程师来说,电磁干扰问题是一直存在于设计中的一个关键问题。如何能解决这个问题?我们先来看看影响电磁兼容的几个因素。一 影响EMC的几个因素(1)驱动电源的电路结构最初的LED电源就是线性电源,但是线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量能量。线性电源的工作方式,使他从高压变低压必须有将压装置,一般的都是变压器,再经过整流输出直流电压。虽然笨重,发热量大,优点是,对外干扰小,电磁干扰小,也容易解决。而现在使用比较多的LED开关电源,都是以 PWM形式的LED驱动电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小,因此功率半导体器件上所产生的损耗也很小。缺点比较明显的是,电磁干扰(EMI)也更严重。(2)开关频率LED电源的电磁兼容出现问题一般是开关电路的电源中。而开关电路是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是LED驱动电源的核心,开关电路主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。这种高频脉冲干扰产生的主要原因是:开关管负载为高频变压器初级线圈,是感性负载。图1:开关脉冲尖峰的产生导通瞬间,初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,电路中形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰。高频脉冲产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在LED电源系统中,开关电路产生电流尖峰信号,而当负载电流变化时也会产生电流尖峰信号。这就电磁干扰根源之一。(3)接地在所有EMC题目中,主要题目是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在开关电路频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。(4)PCB设计适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。
第1页&&&&http://www.autooo.net/autooo/elec/news//139069.html电磁干扰滤波技术
1.电源线上的干扰
如果用示波器观察一下电力电网,会发现50Hz的电压上叠加着各种各样的干扰电压,既有mV级的连续干扰,也有数百V甚至上千V的瞬态干扰。这些干扰对电网中的设备会产生不同程度的影响。这些干扰是从哪里来的呢?
我们可以将这些干扰分为自然干扰源和人为干扰源。典型的自然干扰源是雷电,空中发生雷电时,会伴随着强大的电磁场,电磁场会在空中的导体上感应出很高的电压,这就是干扰。雷电产生的干扰是如此之大,不仅能导致设备误动作甚至造成电路损坏。人为干扰源可以分为以下两种:
●功能性能量发射设备:这类设备靠发射能量工作,如无线电设备、雷达等,他们辐射到空间的能量会感应到电力线上,形成干扰。另外,这些设备也会通过电源线直接将能量泄漏到电网上。
●非功能性发射设备:这类设备不依靠发射能量实现特定功能。但它们工作时,会向外发射额外的电磁能量。与工业、医学上使用的高频仪器、信息处理设备、含马达的家用电器、使用可控硅的家用电器、开关电源等。这些设备在工作时会向空间和电网上发射电磁能量。
以往,当设备在干扰的作用下发生误动作时,人们往往会将注意力集中到提高设备抗干扰性上,想方设法使设备能够在干扰环境中正常工作。但这不是一个彻底的解决办法。就象人们意识到汽车尾气造成的污染会导致疾病,为了能够生存,虽然可以上街时戴上口罩,但这不是根本的解决办法。彻底的方法应该是控制尾气排放,形成一个良好的生存环境。
同样,对于日趋严重的电磁污染,根本的解决方法是限制设备的电磁泄漏。另一方面,对于设备在电磁干扰环境中正常工作的能力也需要一个定量的规定,这就导致了电磁兼容标准的产生。国家现在已将电磁兼容标准作为强制性标准实施,不满足这些标准的产品不能销售。
电磁兼容标准(GB9254,GB4343,GJB151A等)的内容:
1. 干扰发射:辐射发射;传导发射
2. 敏 感 度:辐射敏感度;传导敏感度;静电放电敏感度
电磁兼容标准对设备提出两个方面的要求,首先不能向空间环境发射过强的电磁能量,其次要对环境中的电磁干扰有一定的耐受能力。
2.电源线滤波器的作用
很多人认为电源线滤波器的作用是使设备能够电磁兼容标准中对传导发射传导敏感度的要求,但这是不全面的;后面将看到电源线滤波器对抑制设备产生较强的辐射干扰方面也很重要。严格的说,电源线滤波器的作用是防止设备本身产生的电磁干扰进入电源线,同时防止电源线上的干扰进入设备。电源线滤波器是一种低通滤波器,它允许直流或50Hz的工作电流通过,而不允许频率较高的电磁干扰电流通过。。电源线滤波器是双向的,它既能防止电网上的干扰进入设备,对设备产生不良影响,使设备满足传导敏感度的要求;又能防止设备内的电磁干扰通过电通过电源线传到电网上,使设备满足传导发射的要求。
能够产生较强干扰的设备和对外界干扰敏感的的设备都要使用电源线滤波器。能够产生强干扰的的设备有:含有脉冲电路(微处理器)的设备、使用开关电源设备、使用可控硅设备、变频调速设备、含有马达的设备等。敏感电路如:使用微处理器的设备、小信号模拟电路等。
3.电源线上干扰的类型
电源线上的干扰电流按照其流动路径分为两类,一类是差模干扰电流,另一类是共模干扰电流。差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流,共模干扰是在火线、零线与大地(或其它参考物体)之间流动的干扰电流,由于这两种干扰的抑制方式不同,因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。区分干扰电流是差模还是共模可以从三个方面进行判断:
a. 从干扰源判断:
雷电、设备附近发生的电弧、设备附近的电台和其它大功率辐射装置在电源线上产生的干扰是共模干扰;另外,如果发现电源线上的干扰是来自机箱内的线路板或其它电缆,则为共模干扰;这是因为通过空间感应在火线和零线上的干扰电流是同相位的。在同一电力线上工作的马达、开关电源、可控硅等会在电源线上产生差模干扰。
b. 从频率上判断
差模干扰的频率主要集中在1MHz以下,而共模干扰的频率一般分布在1MHz以上。这是由于共模干扰是通过空间感应到电源线上的,这种感应只有在干扰信号频率很高时才容易发生。
c. 用仪器测量
如果有一台频谱分析仪和一只电流卡钳就可以进行测量。电流卡钳实际上是一个绕在磁芯上的线圈,当被测电缆穿过卡钳时,就形成了一个变压器;被测导体相当于变压器初级,卡钳中的线圈相当于变压器次级,电缆上的信号会耦合到卡钳中的线圈上,用频谱分析仪可以检测出来。
判断步骤如下:
● 步骤一:将卡钳卡在火线或零线上,记录下某个感兴趣频率的干扰信号的强度l(f1)
●步骤二:将卡钳同时卡住火线或零线,若观察不到l(f1),则l(f1)完全是差模干扰,其中不含共模成份;,若还能观察到l(f1),则l(f1)中包含共模干扰成份,要判断是否仅含共模成份,需进行步骤三的判别。
●步骤三:将卡钳分别卡住火线或零线,若两根线上测得的l(f1)的幅度相同,则l(f1)仅含共模成份;若不相同,则l(f1)中还包含差模成份。
4. 电源线滤波器的基本原理
电源线滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成,它允许直流或50Hz电流通过,对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种,因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。
地线一般是金属机箱,当设备机箱不是金属材料时,滤波器的地线一般与安全地相连;但由于安全地的阻抗很大,滤波器对共模干扰的衰减效果将大大降低。
5. 电源线滤波器的主要指标
当我们选用电源线滤波器时,应主要考虑三个方面的指标;首先是电压/电流,其次是插入损耗,最后是结构尺寸。由于滤波器内部一般是经过灌封处理的,因此环境特性不是主要问题。但是所有的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定的影响。
a)电压、电流对使用效果的影响
电源有交流直流之分,与此相对应,许多厂家的电源线滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲,交流电源线滤波器既可用在交流电源上,也可在直流电源上使用;但直流电源线滤波器不能用在交流的场合,这主要因为直流滤波器中的电容器的耐压较低,并且有可能其交流损耗较大,导致过热。即使直流滤波器耐压没有问题,由于直流滤波器中使用了容量较大的共模滤波电容器,如果在交流的场合会产生漏电流超标的问题。因此,直流电源线滤波器绝对不能用在交流的场合。交流滤波器用在直流场合,从安全的角度看没有问题,但要付出成本和体积的代价;在样机阶段,如果手头正好有交流滤波器,可以代替直流滤波器。
当电源线滤波器的工作电流超过额定电流时,不仅会造成滤波器过热,而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。这是因为滤波器中的电感在较大电流的情况下,磁芯会发生饱和现象,使实际电感量减小。因此,确定滤波器的额定工作电流时,要以设备的最大工作电流为准,确保滤波器在最大电流状态下具有良好的性能,否则当干扰在最大工作电流状态下出现时,设备会受到干扰或传导发射超标。
在确定滤波器的额定电流时,要留有一定的余量;特别是人们习惯上对交流电称“有效值”,而不是交流电的“峰值”,留有一定余量是非常有必要的。一般滤波器的额定电流值应取实际电流值的1.5倍。
b) 插入损耗对使用效果的影响:
从抑制干扰的角度考虑,插入损耗是最重要的指标。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。
6.影响电源线滤波器外形尺寸的因素
由于许多设备在设计之出并没有考虑干扰滤波的问题,因此安装滤波器的空间往往是一个很棘手的问题、。即使在设计时考虑到了电磁兼容的问题,人们往往会认为电源线滤波器是一个可有可无的选装件,不愿意提供较大的空间。由此造成人们在选用滤波器时,经常将滤波器的体积作为一项重要的指标来考虑,总是希望滤波器的体积越小越好。
为什么两个滤波器的额定电流都是10A,而它们的体积会相差很多?你会毫不犹豫的选择体积较小的一种?滤波器的体积主要由滤波电路中的电感所决定,电感线圈的体积越大,滤波器的体积越大。以下因素影响电感的体积:
a)额定电流:当滤波器的额定工作电流较大时,电感线圈会使用较粗的导线绕制,这自然会增加体积;另外,为防止磁芯发生磁饱和现象,往往要使用体积较大的磁芯,这会增加体积;
b)低频特性:当需要滤波的干扰信号频率较低时,共模扼流圈和差模扼流圈的电感量都需要很大,导致电感元件的体积增加。例如开关电源的频率越低,则需要滤波器中的电感量越大;
表-1 给出了滤波器**模电感与电磁兼容标准和开关电源频率的关系。
通过以上的分析,你是否还在刻意的追求滤波器的体积小?体积小的滤波器已使用了体积小的电感元件,它的电感为什么能小?是牺牲了电流容量,还是牺牲了低频特性?付出这些代价后,是否还能满足最核心的要求——抑制电磁干扰?
另外,当滤波器的体积较小时,内部器件一定靠得很近,这会降低滤波器的高频滤波性能,导致设备的辐射发射超标。这在实际使用中要特别注意
电磁兼容标准
共模电感的电感量(mH)
7.选用电源线滤波器是怎样确定所需要的插入损耗
首先在设备的电源入口处不安装滤波器,对设备进行传导发射和传导敏感度的测量,并与要满足的标准进行比较,看两者之间相差多少分贝,滤波器的作用是弥补上这个差距。以抑制设备的传导发射为例,给出了确定滤波器插入损耗的过程。首先将设备的传导发射值最大包络线(a)与标准给出的限制值线(b)相比较,计算其差值得到需要的插入损耗值(c)。由于电源线滤波器是低通滤波器将插入损耗线(c)变换为低通滤波器插入损耗的形式(d),(d)就是滤波器需要的插入损耗值。
注意: (d)并不是低频滤波器的特性,而是一个带阻滤波器的特性,这是考虑到实际滤波器的非理想性(见下一节)。
但如果从厂家的产品样本上选择插入损耗值满足(d)的滤波器,十有八九会失败。因为厂家产品样本上的数据是在滤波器两端阻抗为50Ω的条件下测得的,而实际使用条件并不是这样。因此在实际使用条件下,滤波器的插入损耗会有所降低。为了保险起见,在从产品样本中选择滤波器时,应加20dB的余量,这就得到了(e)。从样本上选择滤波器,其插入损耗应满足(e)的要求。
8.实际电源线滤波器与理想滤波器的差距
理想的电源线滤波器是低通滤波器,但实际的电源线滤波器通常是带阻滤波器。造成这种差别的原因是电容器和电感器的非理想性。
电容器的引线是有电感的,而电感线圈上又存在着寄生电容,尽管这些电感、电容很小,但当频率较高时,它们的影响是不能忽略的。因此由实际电感、电容器构成的低通滤波器电路在频率较高时,就变成了一个带阻滤波器电路。
此外,高频时器件之间的耦合也是造成滤波器在高频区间插入损耗减小的一个原因。从图可以看到,器件之间的距离对滤波器的高频性能有很大的影响。这种影响在1MHz时就已经很明显了。
因此,即使滤波器的电路结构完全相同,由于器件的特性不同、器件的安装方式的不同、内部结构的不同,它们的高频性能会差很多。滤波器的电路结构仅决定了滤波器的低频特性。要想提高滤波器的高频性能,生产时需要从许多方面注意制作工艺,如选用电感小的电容器、制作寄生电容小的电感、焊接时电容器的引线尽量短、在内部采取适当的隔离等。
9. 电源线滤波器高频插入损耗的重要性
许多人认为,既然传导发射极限值的频率上限30MHz,那么就没有必要对滤波器的高频衰减提出要求。这是一个误解,也正是存在这种错误的概念让许多人在使设备满足电磁兼容标准的过程中走了很长弯路,浪费了大量的时间和经费。
由于设备上的电缆是高效的辐射天线,当电缆上有高频传导电流时,会产生强烈的辐射,使设备不能满足辐射发射极限值的要求。因此,当电源线上有高频干扰电流时,同样也会产生辐射,使设备的辐射发射超标。对于一个没有电磁兼容经验的人来说,这个问题是很难发现的;因为当他所开发的设备辐射发射超标时,它会从机箱、信号电缆等环节检查(这是许多教科书和培训班中所介绍的),而根本想不到会是电源线的问题。
特别是设备的电源线传导发射已经满足了标准要求时,它绝想不到应再次检查电源线是否有问题,所以,电源线滤波器的高频特性是十分重要的。
特别提示:当设备的辐射发射不合格时,别忘记检查电源线的共模传导发射,很多场合辐射发射的超标时由于电源线上的共模电流造成的。
10.将电源线滤波电路直接安装在线路板上的利与弊
电源线滤波器的电路是如此简单,一个诱人的想法是直接将滤波电路安装在线路板上的电源线入口处,这样既能够节省空间,又能够降低成本;另外,由于滤波器的实际衰减特性与它所连接的网络有关,因此在实际使用中不可避免地要对滤波器的参数要进行调整;将滤波器安装在线路板上,能够很方便的按照电路情况进行调整。
将滤波电路直接安装在线路板上从电路的角度看是完全可行的,但是从电磁干扰滤波的实际情况看,有些问题。首先,如果希望滤波器具有良好的高频特性(其重要性前面已经论述),Y电容的引线必须短,且应直接连接到金属壳上;当滤波电路器件安装在线路板上时,这一点是很难做到的,除非在设计线路板和安装结构时考虑这个问题。其次,机箱内线路板、电缆产生的辐射会直接感应到滤波器电路上的各个部位,导致滤波器电路失效。这个问题在高频时尤为突出。从理论上讲,只要能够妥善解决以上的两个问题,将滤波电路直接安装在线路板上是完全可以的。
11.一个灵活的方案
如上所述,将滤波电路直接安装在线路板上有许多好处;特别是设备功率较大或干扰频率较低时(电源线滤波器的体积往往较大)、将滤波电路直接安装在线路板上的方案更值得考虑。但是要解决上面所提到的高频滤波问题,又是一个难点。
为了使设计人员方便的解决这个问题,本公司提供的方案是关键的器件安装在机箱面板上的内含电容滤波网络的插座。这个插座内部安装了共模扼流圈和滤波电容器,电容器的安装严格遵循引线最短、前后隔离的原则。之所以仅使用共模滤波网络,是因为差模干扰已被线路板上的滤波器滤除,感应到电源端口上的都是共模电流。
按照用户的特殊要求,滤波电容可以采用;当使用穿心电容时可以将滤波的有效频率范围提高到1GHz以上。
12. 电源线滤波器的正确安装方法
电源线滤波器从外观上看是一个两端口网络,许多人认为只要按照接线图将滤波器串在设备和电源之间就可以了。这是一个十分错误的概念。下面通过讲几种连接方法的错误所在,使你了解和掌握应该怎样正确的安装电源线滤波器。
a)电源输入线过长
这是一个很常见的错误;人们在安装滤波器时,通常并不注意安装位置,而是在机箱内随便找一个方便的位置,将滤波器固定好,然后将导线连接上,这样就容易犯图示错误;这里的错误是滤波器的电源输入端导线过长,其后果是电网上的干扰进入设备后,还没有经过滤波器,就通过空间耦合到线路板上,对电路造成干扰。而设备内的干扰会直接感应到电源线上,传出设备。一定要记住,我们所涉及的电磁干扰都是频率较高的,它们极易辐射和通过空间耦合。
发生这种错误的另一种情况是,大部分设备的电源输入口安装在设备后面板,而电源开关、指示灯等元件安装在设备的前面板;这样电源线进入设备前面板后,先连接到前面板,然后再连接到滤波器上;这时,尽管滤波器据电源线入口很近,但是仍会出现同样的错误。
特别提示:不仅滤波器安装的位置要靠近电源线的入口,而且滤波器的电源输入线要短
b)滤波器输入线、输出线靠的过近:
滤波器的输入线和输出线捆扎在一起。这样,高频干扰信号实际会通过输入线和输出线发生耦合,而将滤波器旁路掉。
c)滤波器接地不良:
首先,我们必须明确滤波器的外壳必须“接地”,即必须接金属或屏蔽机箱,这从滤波器的电路中可以看出,只有当共模电容接地时,才能够将线路上的共模干扰旁路掉;同时为了对高频起到有效的旁路作用,要求电容的引线越短越好。当滤波器没有接地时,电路中的共模滤波电容实际起不到作用的。
正是为了接地,滤波器的外壳上通常有一个专用的地线接线端子。虽然这个接线端子的目的是为了方便的安装接地导线,但其却造成了一种滤波器使用中常见的错误;人们通常认为只要将这个接地端子接地就可以了,因此在实际设备中,常常见到人们用一根长导线将滤波器连接到设备机壳上,这时,这根地线基本形同虚设,因为在高频时,长导线的阻抗是很大的,根本起不到对干扰有效的旁路作用。下表给出了不同直径、不同长度的导线在不同频率下的阻抗。
正确的安装方式是将滤波器的外壳大面积贴在金属壳的导电表面上。滤波器的理想安装方式:滤波器直接贴在电源入口处,并在接触面上使用电磁屏蔽衬垫,利用外壳实现隔离。
另外下面的安装情况也都是不正确的:滤波器与设备金属壳之间有绝缘漆、滤波器根本没有接地、或者通过紧固螺钉连接。
导线的阻抗(Ω)(导线长度=10厘米)
频率(Hz)
直径=6.5mm
直径=2.7mm
直径=0.65mm
特别提示:导线的直流电阻和交流阻抗是完全不同的,滤波器绝不能靠单根导线接地,而要与设备金属外壳之间有大面积的导电接触。
13.要注意信号电缆对电源线传导发射的影响
由于电源线和信号电缆线通常安装在一块面板上,因此电源线和信号电缆线之间的耦合是不可避免的。这时,尽管电源线经过精心处理,完全没有问题,但是在测量时会出现传导发射超标的现象。这种干扰实际是从信号电缆上耦合过来的。这时如果不对信号电缆进行处理,传导发射是无法达标的。实际上,当信号电缆上有较强的传导干扰时,还会导致设备的辐射发射超标。因此,遇到这种情况,一定要对信号电缆采取措施,如采取屏蔽或在接口处使用滤波器或滤波连接器。
判断这种情况,只要将电源线周围的电缆拔掉,再次测量设备的传导发射,观察是否仍然超标;如果不超标了,说明是信号电缆的影响。
14. 信号线滤波器的作用
信号线滤波器的主要作用是解决空间电磁干扰问题,例如设备向空间辐射较强的电磁干扰,或者设备对空间的电磁干扰敏感等问题。前面看到的信号线电缆和电源线电缆之间的耦合导致传导发射在高频超标的现象,就是由于信号线上的高频干扰通过空间耦合到了电源线上造成的。出现这种现象是因为信号电缆本身就是一条效率很高的辐射和接收天线,它造成的危害如下:
1)造成很强的超标辐射:机箱内的电磁能量在电缆上感应出共模电压和电流,共模电流在电缆上流动,产生了共模辐射。这种辐射往往是设备超标辐射的主要原因。
2)设备周围环境空间的电磁能量被电缆接收到后,形成共模电流,沿着导线传进机箱,一方面对与电缆直接连接的电路产生干扰,另一方面借助导线再次辐射,对机箱内的其它电路(没有直接与电缆连接的电路)造成干扰。
3)造成屏蔽体或隔离层被破坏,产生这种作用的原因也是电缆对电磁波的接收和再次辐射,导致电磁能量通过电缆泄漏,从现象上看就是屏蔽体的屏蔽效能降低。
理论和实践均表明:设备上的电缆是电磁兼容上最薄弱的环节。信号线滤波器的作用就是解决上述三个方面的问题。下面的结论是十分重要的:
任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果或隔离效果,对这些导线,必须采取滤波措施。
信号线滤波以共模滤波为主。这是因为电缆上感应的电流一般都是共模形式的,而对信号电缆上传输的差模信号,希望不产生任何影响。
15.怎样在线路板上安装信号线滤波器
当设备出现了电磁干扰问题时,许多有经验的工程师会在电缆的端口上安装滤波电路(例如滤波电容、RC滤波电路、LC滤波电路等),但经常达不到预期的效果。这是因为我们忽视了两个原因,一个是电缆上需要滤波的电磁干扰往往都是频率很高的电磁信号(无论是接收到的空间干扰,还是设备内传导到电缆上的干扰),而我们所作的大部分滤波电路对高频干扰的滤波效果都是很差的(由于电容的引线电感、空间的寄生参数等)。另一个原因是,滤波器的安装方式有问题(滤波器接地不良,滤波器的输入输出端有耦合、空间耦合将滤波器旁路掉等),进一步降低了滤波器的高频滤波性能。要获得预期的效果,需要注意以下几点:
1)高频特性较好的滤波器件
  三端电容是一种特殊结构的电容器,它与普通电容器的区别在于,它有三根引线,其中一个电极上有两根引线。这样一个微小的改变,却使电容器的滤波效果发生了很大的改善。普通电容的引线电感对于电容的高频滤波的作用是有害的,而三端电容却巧妙地利用了引线电感,构成了一个T型低通滤波器。三端电容的高频滤波效果比普通电容改善了很多。如果在三端电容的两根连在一起的引线上分别安装一个铁氧体磁珠,则会大大增加T型滤波器的滤波效果。这就是我们常说的片状滤波器。
2)滤波器良好的接地
  无论采用什么器件,这一点都是十分重要的。即使对于三端电容器,如果接地引线过长,引线的电感也是十分有害的,会使滤波性能大打折扣。对于滤除差模干扰的滤波器,只要在布线时保证等效成电容的引线的走线尽量短就可以了,对于滤除共模干扰的滤波器,还要保证线路板与机箱之间的接地良好。一般可以通过簧片或导电布衬垫接地。另外,用于I/O接口滤波接地目的的地线要单独安排,并且仅与线路板的其它地线在一点连接(这称为“干净”地)。当使用π型滤波电路时,这一点更重要。
3)滤波器并排安装,否则,已经滤波的和没有滤波的信号之间会发生串扰,使总体滤波失效。当需要滤波的引线较多时,使用多路滤波器(本公司有产品,分别对应π型滤波电路和T型滤波电路)。
4)滤波器与机箱上电缆接口之间的引线要短,可以加一个隔挡层。
16. 馈通型滤波器是解决电磁干扰的理想器件
由于电路的工作的频率和周围环境中的电磁干扰频率越来越高,将滤波器安装在线路板上所暴露出的高频滤波不足的问题日益突出。解决高频滤波的根本方法是使用馈通型滤波器。馈通型滤波器安装在金属面板上,具有很低的接地阻抗,并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出,因此滤波器具有非常好的高频滤波效果。
的使用方法有以下三种:
1)安装在屏蔽体(屏蔽箱和屏蔽机箱等)的面板上
这是最基本的使用方法,当有导线穿过屏蔽体时就需要在屏蔽体面板上安装馈通滤波器,使导线通过馈通滤波器穿过屏蔽体。
2)安装在线路板的地线层上
再多层线路板上,可以利用线路板的的地线层作隔离层和接地层。
3)安装在线路之间的隔离板上
当条件不具备,馈通滤波器不能安装在屏蔽体面板或地线面上时,安装在金属隔板上也具有普通电容(包括三端电容)不可比拟的高频滤波作用。
馈通滤波器焊接式安装和螺纹安装两种。焊接式安装的优点是节省空间,滤波性能可靠。但在将滤波器焊接到面板上时,由于面板的热容量远大于滤波器的热容量,因此焊接的局部温度有可能达到很高,造成滤波器损坏。焊接时要注意控制焊接的时间和温度。
螺纹安装的方式简单易行,可以在面板上打通孔,用螺母将馈通滤波器拧紧,也可以在面板上打带螺纹的孔,将馈通滤波器直接拧上。无论是用哪一种方法,要注意两点,一是扭矩不能太大,馈通滤波器虽然从外表上看与螺钉一样坚固,但是由于内部是空心的,扭矩过大会造成损坏。二是在安装时要套上锯齿垫片,这样可以保持良好的接触。
17.馈通滤波器的电路
滤波器的电路结构C型(单个穿心电容)、L型(一个穿心电容加一个电感)、T型(两个电感加一个穿心电容)、π型(两个穿心电容加一个电感)等,滤波器的电路器件越多,则滤波器的过渡带越短,阻带的插入损耗越大。选用滤波电路的依据是:
1)对干扰的衰减量:滤波器的器件数量越多,一般对干扰信号的衰减越大(但有例外,当没有符合下面第3项的原则时,衰减量可能与器件数量较少的一样)。
2)有用信号与干扰信号在频率上的差别:有用信号与干扰信号的频率相差越小,需要滤波器的器件数量越多。
3)使用滤波器电路的阻抗:一个基本原则是,滤波器中的电容对着高阻抗电路,电感对这低阻抗电路。这里所谓的高低,可以以50Ω为参考。
18.滤波阵列板与滤波连接器
滤波阵列板与滤波连接器是馈通滤波器的概念的两种延伸。当需要滤波的导线数量较多时逐个焊接和安装是十分繁琐的事,这时可以使用滤波阵列板与滤波连接器如图所示。
滤波阵列板上的滤波器已经由厂家使用特殊工艺焊接好,性能可靠,使用简便。滤波阵列板上的滤波器的间隔为2.54mm,因此扁平电缆的接头可以直接插上,避免了逐根焊线的繁琐,便于组装。滤波阵列板一般用在机箱的内部。
对于机箱外部的电缆进行滤波必须使用滤波连接器,这样才便于电缆的插拔。一般滤波连接器的外形尺寸与普通连接器是完全相同的,可直接取代普通连接器。不同的是滤波连接器的每一个针(孔)上安装了一个低通滤波器,滤除信号线上的高频干扰。
使用滤波阵列板时,要注意的问题是:一定要在滤波阵列板与安装面板之间安装电磁密封衬垫,否则在缝隙处会有很强的电磁泄漏。
19.自制滤波连接器
滤波连接器对与电缆造成的干扰十分有效。但滤波连接器的价格一般较高,并且不是所有型号的连接器都有对应的滤波连接器。这给实际工程带来很大不便。如果对空间的限制不严,可以自己制作滤波连接器,其效果与成品相同(甚至更好,因为有些成品滤波连接器内的滤波器件接地不太可靠),只是需要额外的加工费和安装空间。
自制滤波连接器的方法有两个,一个是在设备面板上安装上选好的连接器后,在连接器的后面装一个屏蔽盒,屏蔽盒上安装馈通滤波器(或滤波阵列板)。另一个方法是将选好的连接器与馈通滤波器(阵列板)安装在一个独立的金属盒内,构成一个滤波部件。
20.怎样确定滤波器的参数
选用滤波器时,最重要的三个参数额定电流、额定电压和截止频率。额定电流就是指流过滤波器的信号电流,一般很好确定。在确定额定电压时往往会犯一些错误,而在确定截止频率时往往感到困惑。
电压的确定:如果所滤波的导线不会受到静电放电、电脉冲、涌浪等高压的冲击,电路的工作电压就是滤波器的额定工作电压。如果不是这样,例如,拖在设备外部的电缆,会受到高压的冲击,需要充分考虑到这种情况。一般额定工作电压要达到200V以上。
截止频率的确定:信号线滤波器的截止频率定义是插入损耗为3dB时的频率。截止频率的选择必须保证滤波器的通带覆盖功能信号的带宽,保证设备的正常工作,同时最大限度的滤除不必要的高频干扰。对于模拟信号,截止频率很好确定,只要保证截止频率大于信号的带宽即可。对于数字脉冲信号,截止信号可定为1/πtr,tr是脉冲的上升/下降时间。如果是周期性脉冲信号,也可以取脉冲重复频率的15倍作为截止频率。
滤波电容的确定:电容值越大,滤波器的截止频率越低,对于单个电容的滤波电路而言,截止频率为:Fco=1/(2πRpC),Rp是原电路阻抗与负载电路阻抗的并联值。
21.铁氧体材料在滤波中的应用
电磁干扰抑制铁氧体磁环、磁珠等由于使用方便、价格低廉而倍受设计人员的青睐,它的主要优点如下:
1)使用非常方便,直接套在需要滤波的电缆上即可。
2)不像其它滤波方式那样需要接地,因此对结构设计、线路板设计没有特殊的要求。
3)作为共模扼流圈使用时,不会造成信号失真,这对于传输高频信号的导线而言非常可贵。
电磁干扰抑制铁氧体与普通铁氧体的最大区别在于它具有很大的损耗,用这种铁氧体做磁芯制作的电感,其特性更接近电阻。它是一个电阻值随着频率增加而增加的电阻,当高频信号通过铁氧体时,电磁能量以热的形式耗散掉。
要充分发挥铁氧体的性能,下面一些注意事项十分重要:
A)铁氧体磁环(磁珠)的效果与电路阻抗有关:电路的阻抗越低,则铁氧体磁环(磁珠)的滤波效果越好。因此,在一般铁氧体材料的产品手册中,并不给出铁氧体材料的插入损耗,而是给出铁氧体材料的阻抗,铁氧体材料的阻抗越大,滤波效果也越好。
B)电流的影响:当穿过铁氧体的导线中流过较大的电流时,滤波器的低频插入损耗会变小,高频插入损耗变化不大。要避免这种情况发生,在电源线上使用时,可以将电源线与电源回流线同时穿过铁氧体。
C)铁氧体材料的选择:根据要抑制干扰的频率不同,选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高,低频的阻抗越大,高频的阻抗越小。
D)铁氧体磁环尺寸的确定:磁环的内外径差越大,轴向越长,阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此,要获得大的衰减,在铁氧体磁环内径包紧导线的前提下,尽量使用体积较大的磁环。
E)共模扼流圈的匝数:增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗,但是由于寄生电容增加,高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时,可在两个磁环上绕不同的匝数。
F)电缆上铁氧体磁环的个数:增加电缆上铁氧体磁环的个数,可以增加低频的阻抗,但高频的阻抗会减小。这是因为寄生电容增加的缘故。
G)铁氧体磁环的安装位置:一般尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的电缆,磁环尽量靠近机箱电缆的进出口。
H)与电容式滤波连接器一起使用效果更好:由于铁氧体磁环的效果取决于电路的阻抗,电路的阻抗越低,则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了电容式滤波连接器时,其阻抗很低,磁环的效果更明显。
铁氧体磁芯的线圈在频率较低时,仍然是一个电感,对于这种单个电感构成的滤波电路而言,截止频率为:Fco=1/(2πRsL),Rs是原电路阻抗与负载电路阻抗的串联值。
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