EMC中的濾波設計

電磁兼容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行優(yōu)化設計，使之成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性EMC標準的產品。電磁干擾一般分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。

電磁兼容(EMC)指的是設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC是評價產品質量的一個重要指標。EMC分為電磁干擾(EMI) 和電磁抗擾度(EMS)。
目前，世界上很多國家對于電子信息產品的EMI/EMS均有嚴格的管制措施，如美國FCC、歐盟的CE、日本的VCCI及電氣用品取締法，大洋洲的SMA，加拿大、韓國等國家均有專司EMI/EMS的管制法規(guī)條文，對于銷往這些國家或地區(qū)的產品都須先經過測試合格，方可合法的運送及銷售。
電磁兼容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行優(yōu)化設計，使之成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性EMC標準的產品。電磁干擾一般分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。

E M C設計
為了使設備或系統(tǒng)達到電磁兼容狀態(tài)，通常應用印制電路板設計、屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地和電纜設計等技術。防止電子設備產生干擾最好的方法是，采用金屬機殼對電磁場進行屏蔽，以及對電源輸入電路進行隔離。并且還要對變壓器也進行靜電感應和磁感應屏蔽。在塑料機殼內表面噴涂導電材料也是一種對電磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料機殼內表面噴涂石墨，對超高頻電磁屏蔽效果就非常好，因為石墨既導電又有電阻，是吸收電磁波的良好材料，它不容易對電磁波產生反射，并對電磁波產生衰減作用。如果只從屏蔽效果來比較，石墨對電磁場屏蔽的效果的確不如導電良好的金屬，但金屬屏蔽也有缺點，它最大的缺點就是產生電磁波反射，并使電磁反射波相互迭加，嚴重時會產生電磁振蕩。
當被屏蔽干擾信號的波長正好與金屬機殼的某個尺寸接近的時候，金屬機殼很容易變成一個大諧振腔。當某一干擾信號頻率正好在諧振腔中產生諧振的時候，電磁波反而會被加強。被加強的干擾信號，一方面會破壞設備自身的正常工作；另一方面干擾信號也會從金屬機殼的裂縫逃逸出去，產生輻
射干擾。
任何直接穿透屏蔽體的導線都會造成屏蔽體的失效。在實際中，很多屏蔽嚴密的機箱(機柜)就是由于有導體直接穿過屏蔽箱而導致電磁兼容試驗失敗。判斷這種問題的方法是將設備上在試驗中沒有必要連接的電纜拔下，如果電磁兼容問題消失，說明電纜是導致問題的因素。解決這個問題的有效方法之一是在電纜的端口處使用濾波器，濾除電纜上不必要的頻率成分，減小電纜產生的電磁輻射，也防止電纜上感應到的環(huán)境噪聲傳進設備內。

濾波
1.干擾濾波在EMC設計中作用
概括地說，濾波器的作用是僅允許工作必需的信號頻率通過，而對工作不必需的信號頻率有很大的衰減作用，這樣就使產生干擾的機會減少。
從電磁兼容的角度考慮，電源線也是一個穿過機箱的導體，它對設備電磁兼容性的影響與信號線是相同的，因此電源線上必須安裝濾波器。特別是近年來開關電源廣泛應用，開關電源的特征除了體積小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬外，強烈的電磁干擾發(fā)射也是一大特征，電源線上如果不安裝濾波器，不可能滿足電磁兼容的要求。
安裝在電源線上的濾波器稱為電源線干擾濾波器，安裝在信號線上的濾波器稱為信號線干擾濾波器。之所以這樣劃分，主要是因為兩者除了都對電磁干擾有較大的抑制作用外，分別還有一些特殊的考慮。信號線干擾濾波器還要考慮濾波器不能對工作信號有嚴重的影響，不能造成信號的失真。電源線干擾濾波器除了要保證滿足安全方面的要求外，還要注意當負載電流較大時，電路中的電感不能發(fā)生飽和(導致濾波器性能下降)。
2.共模干擾和差模干擾
電纜上的干擾分為共模干擾電流和差模干擾電流兩種，如圖1所示，由于對這兩種干擾電流的濾波方法不同，因此在進行濾波設計前必須了解面對的干擾電流的種類。

1)共模干擾電流。干擾電流在電纜中的所有導線上幅度/相位相同，它在電纜與大地之間形成的回路中流動。造成這種干擾的原因有三個：一個是外界電磁場在電纜中的所有導線上感應出電壓(這個電壓相對于大地是等幅同相的)，這個電壓產生電流；另一個原因是由于電纜兩端的設備所接的地電位不同所致，在這個地電壓的驅動下產生電流；第三個原因是設備上的電纜與大地之間有電位差，這樣電纜上會有共模電流。
從定義容易理解，共模電流不會對電路產生影響，當共模電流轉變?yōu)椴钅ｋ娏?電壓)時，才會對電路產生影響。另外，如果電纜上產生共模電流，則會產生強烈的電磁輻射，造成設備不能滿足電磁兼容標準中對輻射發(fā)射的限制要求，或對其他設備造成干擾。

2)差模干擾電流。干擾電流在信號線與信號地線之間(或電源線的相線和零線之間)流動。在信號電纜中，差模干擾電流是由外界電磁場在信號線和信號地線構成的回路中感應的。在電源線中，差模干擾電流往往是由電網上其他電器的電源(特別是開關電源)發(fā)射出的和感性負載通斷時產生的。
開關電源工作時，在電源線上既會產生很強的共模干擾，也會產生很強的差模干擾。電網中電感性開關的通斷，會產生差模的脈沖干擾，空間的電磁波(通信、雷達和雷電等)在電纜上感應出共模干擾，2臺設備之間的地線電位導致共模電流。
3.干擾濾波器的種類
濾波器的各種性能如圖2所示。

電磁兼容設計中，低通濾波器用得最多，因為：
1)電磁干擾大多是頻率較高的信號，因為頻率越高的信號越容易輻射和耦合。
2)數(shù)字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，以防止對其他電路產生干擾。
3)電源線上的濾波器都是低通濾波器。
高通濾波器用在干擾頻率比信號頻率低的場合，如在一些靠近電源線的敏感信號線上濾除電源諧波造成的干擾。
帶通濾波器用在信號頻率僅占較窄帶寬的場合，如通信接收機的天線端口上要安裝帶通濾波器，僅允許通信信號通過。
帶阻濾波器用在干擾頻率帶寬較窄，而信號頻率較寬的場合，如距離大功率電臺很近的電纜端口處要安裝帶阻頻率等于電臺發(fā)射頻率的帶阻濾波器。
4.常用濾波電路
在電磁干擾抑制中，低通濾波器使用得最多。因此下面對低通濾波器作較詳盡的介紹。低通濾波器的種類如圖3所示。
常用的低通濾波器是用電感和電容組合而成的，電容并聯(lián)在要濾波的信號線與信號地線之間或信號線與機殼地或大地之間，電感串聯(lián)在要濾波的信號線上。
按照電路結構分，有單電容型(C型)、單電感型(L型)、Γ型和反Γ型、T型和π型。不同結構的濾波電路主要有兩點不同。
1)電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。
2)不同結構的濾波電路適合于不同的源阻抗和負載阻抗。
5.制作有效的濾波器

增加濾波器的器件數(shù)僅增加了過渡帶的斜率，而不能改變?yōu)V波器的截止頻率。濾波器的截止頻率與濾波器件的參數(shù)有關。例如，要增加濾波器對較低頻率干擾的衰減，只能通過增加電感的電感量或電容的電容量。
當信號頻率與干擾頻率靠得很近時，需要濾波器的階數(shù)較高?？紤]到器件的誤差，有時過渡帶的陡度不能達到理論值，因此要留有一定的余量。
阻抗與濾波電路關系如表所示，可根據下表選用濾波電路。
實際電路的阻抗很難估算，特別是在高頻時，由于電路寄生參數(shù)的影響，電路的阻抗變化很大，而且電路的阻抗往往還與電路的工作狀態(tài)有關，再加上在不同的頻率上電路阻抗也不一樣。因此，在實際中，哪一種濾波器有效主要靠試驗確定。
濾波器的電路形式確定以后，需要確定電感、電容的參數(shù)。電感、電容的參數(shù)決定了濾波器的截止頻率。
實際的電容器除了電容量以外，還有電感和電阻分量，用LC串聯(lián)網絡來等效。實際電容器當發(fā)生串聯(lián)諧振時電容的阻抗最小，旁路效果最好。超過諧振點后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗的特性，即隨頻率的升高而增加，旁路效果開始變差。這時，作為旁路器件使用的電容器就開始失去旁路作用。

電磁兼容設計中使用的電容要求諧振頻率盡量高，這樣才能夠在較寬的頻率范圍(10 kHz～1 GHz)內起到有效的濾波作用。提高諧振頻率的方法有兩個一個是盡量縮短引線的長度，另一個是選用電感較小的種類。從這個角度考慮，陶瓷電容是最理想的一種電容。在諧振點以下及附近，實際電容的阻抗比理想電容的要低，因此當干擾的范圍較窄時，可以利用這個特性，通過調整電容器的電容量和引線長度來使諧振頻率正好落在干擾頻率上(或附近)提高濾波效果。陶瓷電容的容量隨著工作電壓、電流頻率、時間和環(huán)境溫度等變化，電容器使用的介質介電常數(shù)越高，這些參數(shù)越不穩(wěn)定，這是必須引起注意的。另外，介電常數(shù)高的電容器容易發(fā)生擊穿，在需要做浪涌試驗的場合，一定要注意。之所以使用介電常數(shù)高的介質，是為了在較小的體積內獲得較大的容量。電磁兼容設計所面對的往往是寬帶干擾信號，頻率范圍從幾千赫到1 GHz以上。要濾除這么寬頻帶的干擾，在電容和電感的使用上要十分注意。從前面的討論知道，普通電容器很難解
決這個問題。在實踐中，克服電容非理想性的方法有大小電容并聯(lián)和選用比普通電容具有更高諧振頻率和濾波效果的三端電容器。要徹底解決寬帶濾波
的問題應該使用穿心電容，以穿心電容為基礎的饋通濾波器廣泛應用于RF濾波。

實際的電感器除了電感參數(shù)以外，還有寄生電阻和電容，等效電路是一個LC并聯(lián)網絡。當發(fā)生并聯(lián)諧振時，電感的阻抗最大，超過諧振點后，電感器的阻抗特性呈現(xiàn)電容阻抗特性，即隨頻率增加而降低。電感的電感量越大，寄生電容也越大，電感的諧振頻率越低。為了防止電感本身的“電磁兼容”問題，往往將電感
屏蔽起來。
由于濾波器會發(fā)生插入增益，因此根據廠家提供的數(shù)據選擇濾波器就有一定的風險?？赡軓膹S家提供的插入損耗數(shù)據看濾波器完全符合要求，但是實際效果并不理想。為了避免這種情況的發(fā)生，可使用最壞測試條件，許多廠家也給出在這種“最壞條件”下測量的數(shù)據供用戶參考。
普通濾波器是由無損耗的電抗元件構成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當反射濾波器與信號源阻抗不匹配時，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強。為解決這一弊病，可在濾波器的進線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用磁環(huán)或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實際上對高頻成分起吸收作用，所以有時也稱之為吸收濾波器。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好，內徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。EMI吸收磁環(huán)/磁珠
抑制差模干擾時，通過它的電流值正比于其體積兩者失調造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時，將電源的兩根線(正負)同時穿過一個磁環(huán)，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環(huán)/ 磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現(xiàn)出較大的電感量。
結束語
電磁兼容設計是一個技巧性很強的工作，同時EMC領域又是一個試驗性很強的學科，必須做大量的試驗并加以分析、判斷，需要大量的經驗積累，不斷實踐才會有所提高。