電源濾波器分類及應用

電源濾波器就是對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電器設備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。

利用電源濾波器的這個特性，可以將通過電源濾波器后的一個方波群或復合噪波，變成一個特定頻率的正弦波。

大功率電源的濾波器如Satons、UBS、變頻器等將會產生大量諧波電流，這類濾波器需采用有源電力濾波器APF。APF可對2~50次諧波電流進行濾除。

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：

發射（Emissions）：是要將由設備產生，影響電源或其他設備的噪聲降到法規（例如FCC part 15）允許值以下，例如由開關電源產生的噪聲。

抗擾（Immunity）：是要將進入設備的噪聲降低到不會使設備出現異常動作的程度，例如用在廣播電臺發射設備中的儀器。

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，可視為電源線對地的噪聲。

差模：電源線和電源線之間的噪聲。

同一個電源濾波器對于共模噪聲及差模噪聲的抑制能力會有所不同，一般會用頻率對應抑制量（以分貝表示）的頻譜來說明。

電源濾波器原理和作用

電源濾波器常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波（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。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數S來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。

脈動系數（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絡：電源濾波器輸入、輸出側與電源和負載側的阻抗適配越大，對電磁干擾的衰減就越有效。

具體工作原理如下：交流電經過二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝姸龋┻€是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動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，濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩的直流電。

根據電源端口的電磁騷擾特點，電源EMI噪聲濾波器是一種無源低通濾波器，它無衰減地將交流電傳輸到電源，而大大衰減隨交流電傳入的EMI噪聲，同時又能有效地抑制電源設備產生的EMI噪聲，阻止它們進入交流電網干擾其它電子設備。

電源濾波器的典型結構如下圖所示，這是一種無源網絡結構，對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中與電源之間，相當于這二者的EMI噪聲之間加上一個阻斷屏障，這樣一個簡單的無源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用，從而在各種電子設備中獲得廣泛的應用。

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大，否則容易引起濾波器甚至機殼漏電的危險。L為共模扼流圈，它為同向繞在同一個鐵氧體環上的一對線圈，電感量約為幾毫亨（mH）。對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，共模扼流圈表現出較大的阻抗，從而起到衰減干擾信號的作用；而對于差模信號（在這里是低頻電源電流），兩個線圈產生的磁場抵消，所以不影響電路的電源傳輸功能。

電源濾波器是針對電源端口電磁騷擾的特點而設計的，一般是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡，實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提供了高的串聯阻抗和低的并聯阻抗，使它和噪聲源的阻抗和負載阻抗嚴重不匹配，從而把不希望的頻率分量發射回噪聲源。

當我們選用電源濾波器時，應主要考慮三個方面的指標：首先是電壓、電流，其次是插入損耗，最后是結構尺寸。由于濾波器內部一般是經過灌封處理的，因此環境特性不是主要問題。但是所有的灌封材料和濾波電容器的溫度特性對電源濾波器的環境特性有一定的影響。

電源線濾波器

圖1給出的單級電源線濾波器對源和負載的阻抗都很敏感，當工作在實際的源和負載阻抗條件下時，很容易產生增益，而不是衰減。這種增益通常出現在150kHz～10MHz的頻率范圍內，幅度可以達到10 ～ 20dB。因此，在產品上安裝一個不合適的濾波器后，可能會增加發射強度和/或使敏感性變得更糟。

圖1 典型的單級電源線濾波器

圖2所示的兩級或更多級的濾波器，可以使內部接點保持在相對穩定的阻抗上，因此對負載及源的阻抗依賴不是很大，可以提供接近50/50指標的性能。當然，這些濾波器體積更大，價格更高。

圖2 典型的兩級電源線濾波器

為了解決阻抗問題，最好是購買生產廠家同時標明了在“匹配”的50/50測試系統中的指標和在“失配”條件下的指標的產品。失配的數據是在源阻抗為0.1，負載阻抗為100的條件下，和相反的條件下，測得的。一個竅門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指標。當采用這種方法來選擇濾波器以滿足產品的預期目的時，濾波器的性能通常能夠達到希望的效果，甚至更好一些。

大多數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關電源、相位角功率控制器、馬達驅動器等電路產生的低頻高強度干擾問題，則通常需要比X電容所能提供的差模衰減更大的衰減，這時需要采用如圖3所示的差模扼流圈。由于磁芯會發生飽和現象，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 開關電源轉換器上使用的典型濾波器

大多數電源線濾波器采用Y型電容，這些電容連接在相線與地線之間。為了不超過相關安全標準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電容應連接到噪聲干擾較大的導線上（例如，儀表靈敏模擬電路中的電源線，開關電源中的整流器等）。

對于醫療設備，特別是與病人身體接觸的，要求地線泄漏電流值相當低，因此使用任意一種Y型電容都是不行的。這時采用的濾波器需要更大的電感和/或采用多級級聯，因此體積較大，價格較高。（最好是在設備與病人相連的那一端采用電池供電，僅通過光耦或光纖與交流電源供電的設備相連。）

在較大的系統里，來自大量Y型小電容的地線泄漏會產生很大的地線電流，這樣就會產生地線電壓差，從而導致不同設備間的互連電纜上產生“嗡嗡”的交流聲和瞬態高電平?，F代最佳解決方案是采用等勢三維地線搭接，但許多陳舊的設施中不能實現這一點。因此，決定用在大系統里的設備應使用Y電容很小或根本沒有Y電容的濾波器。

最好是使用滿足安全認證的電源線濾波器。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的安全標準的應用均業已由廠家認證通過。

信號線濾波器

如果傳導發射或輻射發射由不可避免的信號頻譜引起，那么試圖使用差模濾波器來減小這些發射并不是辦法。不過對所關心的信號頻譜范圍內的頻率，采用共模濾波是可行的，因為有用的信號是差模而非共模。

信號線濾波器的技術指標中，一般都忽略了地線噪聲。驅動芯片會產生地線跳躍噪聲，如果數字印刷電路板的地線面與機殼間的射頻搭接不好，便會在所有導線中產生大量的數字0V噪聲，因此，外封裝上標有低轉換速率的驅動芯片仍可能產生高電平的射頻噪聲。

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

圖4 各種信號線濾波器

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

C濾波器能產生一個低阻抗來反射干擾，通常用在源和負載阻抗都比較高的場合。通常，C濾波器的性能曲線看起來都是比較理想的，但實際上遠不是這樣。

具有較大R值的RC濾波器是比較理想的，因為它不會產生明顯的諧振。但當信號頻率在幾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，但當它們連接到非50的源和負載阻抗的環境中時會發生諧振現象。這個問題可以通過在電感上裝入鐵氧體來解決。鐵氧體在低頻（有時可達10MHz左右）時呈電感特性，但在較高的頻率處，它們失去了電感特性而表現出電阻特性。鐵氧體磁珠在100MHz時的有效阻抗超過1k，但直流時的阻抗則小于0.5，因而在無用頻率處呈現高阻狀態，在有用頻率處呈現低阻狀態?，F在可以采購到型號眾多的SMD鐵氧體磁珠來滿足各種頻譜的需要。

射頻濾波器的一個鮮為人知的特性就是當它不連接到良好的射頻參考地時，其效果是很差的。唯一能夠作為射頻參考地的是PCB上的實心地平面、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，它們都不應有大于波長1/100的孔洞（空氣中1GHz時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小于波長的1/100，同時還要保證電感很低。這就是說，除非在極低的頻率下，否則安全地的綠/黃色導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一根10cm長的綠/黃色導線接地，那么，在20MHz以上的頻率時，由于地線電感的影響，其Y型電容將失效。

在估計綠/黃色導線地線的搭接性能時，可以假設導線的電感值約為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。當然，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。如果沒有地平面，安裝含有電容的濾波器是勞而無功的。如果濾波器安裝在一個金屬板或屏蔽殼體上，那么它必須是導電連接的，有時甚至有必要在濾波器安裝面貼上一圈導電襯墊，以使濾波器殼體與其搭接的金屬面間形成無縫隙的射頻搭接。

軍用信號濾波器一般屬于C和π型，因為多數常見的軍事設備都有一個很結實的、設計完善的射頻地（金屬澆注機箱）。因此，這種場合使用的濾波器一般不會受到射頻地不良所帶來的影響。

不過，對民用品、商業用品及工業制品來說，射頻地的完整性通常是一個嚴重的問題，因為得處處考慮產品成本。因此，我發現在這種情況下，性能較好的信號線濾波器一般是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一個共模扼流圈。如果減小敏感信號之間的串擾十分重要，則可以對芯線中各個信號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例子。表貼共模扼流圈在差不多5mm的正方體殼體內可達八路之多。

如果電源線濾波器不允許來自數字電路的900MHz的諧波泄漏到電源線中，這時就應考慮濾波器和屏蔽體的優化配合。這些接近微波頻率的諧波會使產品的輻射發射加強。

射頻濾波器的另一個鮮為人知的特性就是要將濾波器與屏蔽視為一個整體，兩者相輔相成。錯誤的濾波器結構設計或安裝方法很容易使產品輻射發射超標。

?濾波器的結構和安裝

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/或濾波與未濾波分界面上導線的射頻泄漏而使其性能發生降級。許多工程技術人員對濾波器周圍的射頻泄漏疑惑不解，濾波和未濾波走線及導線必須盡可能地彼此遠離，而且沒有其他走線或導線穿過附近濾波/未濾波的邊界線，通常，對濾波器未濾干凈的殘余泄漏采用屏蔽技術是非常必要的。

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

如果外部電纜經濾波后進入屏蔽機柜，濾波器應安裝在機柜的壁上，并且要在安裝孔的周圍一周與柜壁進行導電連接。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。

市場上也可以采購某些型號的濾波連接器，比如D型連接器（通常只有1nF的電容，不過磁珠、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）來說，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，可在數十兆赫茲的頻率范圍內獲得較好的性能。有些廠商僅一味追求濾波器能否在傳導發射測試頻率（達到30MHz）范圍內正常工作，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，從而使產品不能通過電磁兼容標準中的輻射發射試驗。

圖5 屏蔽體上電源線濾波器的安裝方法

在大功率場合中，多數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，同時用一個外層屏蔽盒將其封裝在一個屏蔽的“臟盒”內。即使臟盒中的輸入和輸出電纜很短而且彼此遠離，高頻仍然可以泄漏出去，因此需要對某一條電纜或所有電纜套裝磁環來解決。

總結如下：

1、如果未經過對儀器的EMI、EMS指標測試就選定了濾波器，基本上屬于“盲人騎瞎馬、夜半臨深池”的主兒；

2、如果機器上選擇的是一個市面上買來的通用濾波器，這個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。

下此結論的原因是因為最近遇到的好幾起事情，都加了濾波器，但傳導就是不過，最后還是根據測試結果給設計了個濾波器樣品，一裝上ok才算pass，其實設計本身也并不復雜，不過多加了一級差模電容和差模電感、或調整了一下濾波器電感電容的參數而已。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個共模電容、一個差模電容和一個共模電感，靠這點東西就能放之四海而皆準，難度莫大焉。