濾波器的分類與選型實戰(zhàn)經(jīng)驗總結(jié)

濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。

濾波器選型

電路設(shè)計人員如何確定在哪種場合該選用哪種濾波器呢？本文旨在幫助他們作出這種決定。

　　濾波器的選擇看似神秘，但實質(zhì)上并非如此。不過在很多場合，即使竭盡全力采取以下所述方法來選擇，也還是需要實驗多個濾波器后才能挑出最合適的一只。

　　那么，為什么要煞費苦心去正確的選擇濾波器呢？按這里提供的準則來進行濾波器的篩選，至少可滿足濾波器的正確尺寸和類型的要求，因此，試用濾波器僅僅是用一只濾波器替換另一只濾波器，同時檢查傳導(dǎo)及輻射發(fā)射，看哪只濾波器具有最佳的費效比。

　　如果在設(shè)計過程中沒有足夠的耐心去選擇濾波器，墨菲法則（好象所有的物理、醫(yī)療和財政方面的公式都是從這里派生出來的）表明：最終證明是最合適的濾波器會與產(chǎn)品的其它要求完全不兼容。要么濾波器太大或太重而不能安裝在鑄塑模機殼內(nèi)，需要一筆昂貴的重新制造模具的費用，要么需要一種不易實現(xiàn)的安裝方法，要么由于濾波器的泄漏電流，將使推向市場的產(chǎn)品存在安全隱患問題。確實，如果沒有仔細選擇正確型號及類型的濾波器，那么按照墨菲法則，挑選合適的濾波器將增加研發(fā)和生產(chǎn)費用，同時也會推遲產(chǎn)品的上市時間。

　　1. 濾波器有關(guān)指標的計算

　　通過將產(chǎn)品的發(fā)射頻譜與相關(guān)的電磁兼容標準比較，可以估算用濾波器控制發(fā)射所需要的衰減量。對于抗擾性控制，可以通過比較外部電噪聲（通常取自有關(guān)的電磁兼容抗擾度標準）與產(chǎn)品電子線路的敏感性以及干擾期間希望達到的性能等級來估算一個粗略值。

　　當明確知道一個產(chǎn)品實際的發(fā)射或敏感性能時，就可采取精確的計算而不去進行估測。不過，如果不是在一個可控的50Ω阻抗環(huán)境中工作，在購買濾波器時，廠家提供的產(chǎn)品指標是靠不住的。

　　2. 阻抗問題

　　濾波器的工作原理是在射頻電磁波的傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù)，將射頻電磁波中的大部分能量反射回源處。大多數(shù)濾波器的性能是在源和負載阻抗均為50的條件下測得的，這使我們直接聯(lián)想到極為重要的一點，這就是濾波器的性能在實際情況下不可能達到最佳。

　　考察一個典型的電源線濾波器，它安裝在交流電源線與作為電子產(chǎn)品直流電源的交-直流變換器之間。白天，交流電源的阻抗在2～2kΩ間變化，取決于與它連接的負載以及所關(guān)心的頻率。連接到電子設(shè)備的電源線的特征阻抗大約在150Ω，當整流器在電源波形的尖峰附近導(dǎo)通時，相當于短路，而在其它時間，相當于開路。

　　濾波器參數(shù)是在50Ω的源和負載阻抗的測試環(huán)境下獲得的，因為大多數(shù)射頻測試設(shè)備采用50Ω的源、負載及電纜。這種方法獲得的濾波器性能參數(shù)是最優(yōu)化的，同時也是最具有誤導(dǎo)性的。

　　因為濾波器由電感和電容組成的，因此這是一個諧振電路。其性能和諧振主要取決于源端及負載端的阻抗。事實上，一只價格昂貴且50/50性能優(yōu)秀的濾波器可能在實際中的性能還不如一只價格較低且50/50性能較差的濾波器好。

　　3. 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(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)，幅度可以達到10 ～ 20dB。因此，在產(chǎn)品上安裝一個不合適的濾波器后，可能會增加發(fā)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(nèi)部接點保持在相對穩(wěn)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(chǎn)廠家同時標明了在“匹配”的50/50測試系統(tǒng)中的指標和在“失配”條件下的指標的產(chǎn)品。失配的數(shù)據(jù)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(shù)指標。當采用這種方法來選擇濾波器以滿足產(chǎn)品的預(yù)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(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關(guān)電源、相位角功率控制器、馬達驅(qū)動器等電路產(chǎn)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(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。為了不超過相關(guān)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(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，開關(guān)電源中的整流器等）。

　　對于醫(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?shù)?，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(lián)，因此體積較大，價格較高。（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，來自大量Y型小電容的地線泄漏會產(chǎn)生很大的地線電流，這樣就會產(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。現(xiàn)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(shè)施中不能實現(xiàn)這一點。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?shù)陌踩珮藴实膽?yīng)用均業(yè)已由廠家認證通過。

　　4. 信號線濾波器

　　如果傳導(dǎo)發(fā)射或輻射發(fā)射由不可避免的信號頻譜引起，那么試圖使用差模濾波器來減小這些發(fā)射并不是辦法。不過對所關(guān)心的信號頻譜范圍內(nèi)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(shù)指標中，一般都忽略了地線噪聲。驅(qū)動芯片會產(chǎn)生地線跳躍噪聲，如果數(shù)字印刷電路板的地線面與機殼間的射頻搭接不好，便會在所有導(dǎo)線中產(chǎn)生大量的數(shù)字0V噪聲，因此，外封裝上標有低轉(zhuǎn)換速率的驅(qū)動芯片仍可能產(chǎn)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(shù)情況下，信號是數(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)境中時會發(fā)生諧振現(xiàn)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(xiàn)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(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(yīng)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(yīng)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(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一根10cm長的綠/黃色導(dǎo)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(dǎo)線地線的搭接性能時，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。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(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(dǎo)電連接的，有時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(shù)常見的軍事設(shè)備都有一個很結(jié)實的、設(shè)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(yè)用品及工業(yè)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(chǎn)品成本。因此，我發(fā)現(xiàn)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(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(nèi)可達八路之多。

　　如果電源線濾波器不允許來自數(shù)字電路的900MHz的諧波泄漏到電源線中，這時就應(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使產(chǎn)品的輻射發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝方法很容易使產(chǎn)品輻射發(fā)射超標。

　　5. 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/或濾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。許多工程技術(shù)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(dǎo)線必須盡可能地彼此遠離，而且沒有其他走線或?qū)Ь€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(shù)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(yè)儀表面板，濾波器應(yīng)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(jīng)濾波后進入屏蔽機柜，濾波器應(yīng)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(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(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)射測試頻率（達到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)品不能通過電磁兼容標準中的輻射發(fā)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(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，同時用一個外層屏蔽盒將其封裝在一個屏蔽的“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(huán)來解決。

寫在最后，做工程師21年，整體感覺是：

1、如果未經(jīng)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；