转——滤波器选择需注意的十个问题

A-Lin

转——滤波器选择需注意的十个问题

近期接触几位技术工程师朋友在选用滤波器，发现了不少有意思的问题，才发现波平浪静处水最险，简曰“灯下黑”。于是才斗胆诞生此文。
" I( \& h$ W9 {/ K# M. I$ g1、如果未经过对仪器的EMI、EMS指标测试就选定了滤波器，基本上属于“盲人骑瞎马、夜半临深池”的主儿；
2 e4 N' l7 H8 P2、如果机器上选择的是一个市面上买来的通用滤波器，这个滤波器基本上是可以不加的；
3、滤波器8分定制、2分通用才算比较靠谱。
下此结论的原因是因为最近遇到的好几起事情，都加了滤波器，但传导就是不过，最后还是根据测试结果给设计了个滤波器样品，一装上ok才算pass，其实设计本身也并不复杂，不过多加了一级差模电容和差模电感、或调整了一下滤波器电感电容的参数而已。通用型的IEC插座滤波器，里面的空间很小，一般只能放得下2个共模电容、一个差模电容和一个共模电感，靠这点东西就能放之四海而皆准，难度莫大焉。
那滤波器应如何选型？
+ `- h  b) f' w5 [. ]! h+ G第一种是预知晓（起码是估计）需滤掉的杂波频点或频段和强度，然后提出对滤波频段的衰减要求，将此要求提给厂家，由厂家给您设计一款适用的滤波器。
  @3 y9 X! c4 C- ~! [第二种是先设计产品，结构空间上预留出装滤波器的位置，等产品装好后进行测试，根据测试的结果确定滤波器的滤除频点和衰减特性。
, I* p2 j4 y6 c) t. H5 e除此二者外，基本上没有其他的方法能有效地选好滤波器。
; `# A5 e) R2 D; d  W5 h2 [5 O案例1：
如低频无极灯产品，整流器开关频率220KHz，此频率是干扰的基频，其他干扰频率基本都是此频点的高次谐波，在起初设计时，就可以根据预估给出滤波器的要求来，220KHz频点时，共模插损ILCM=60dB 差模插损ILDM=60dB，根据这个要求，滤波器厂家就可以设计出滤波器来。
6 a6 B2 r* T9 m如手术室用监护仪，与手术刀在共同的环境下使用，手术刀的频率是500KHz，可以根据预估给出对滤波器的要求，500KHz频点时，共模插损ILCM=70dB 差模插损ILDM=70dB，根据这个要求，滤波器厂家就可以设计出滤波器来。
. o: f& Y+ {* H: k插损这个指标，行规是在50Ω的标准负载下测得的，但实际电路中，阻抗匹配的不可能这样标准，因此，插损的指标在使用会打些折扣。所以预估时要求指标要高些。
) \" Y% P+ D' B" ]1 M3 Y案例2：某产品未加滤波器时的测试结果，画黑圈的是两个主要的超标频点，最左侧的点是213KHz，超标7dB左右，右面一个是它的高次谐波，可以不必理它，213K滤掉了，那个也就跟着消除了。
3 o0 q  m4 W4 K0 u+ g. \作为电子设计工程师，能预估出、或能测出预定的干扰频率和提出拟衰减的指标来，这就够了。
' g8 R% ]! A& D- }滤波器有多种，做仪器设备中常用到的是电源滤波器和信号滤波器。其他类型的作无功功率补偿的电力滤波器、微波频段的滤波器不是这里讨论的内容。
; R1 r5 k4 s1 y3 o! t* L6 _& ?* T滤波器的选择需要考虑以下多点：
# s0 x; S" H0 _) k1.电压
这个电压值要求是一个范围，是稳态电压±纹波电压的综合。
! U& p- H& w) t- W$ k. d9 C2.电流
电流的指标很关键，它决定了滤波器内部的电感的绕组铜线和引出线的线径。如果选细了，细导线上跑大电流，如小马拉大车，会引起严重发热以至烧毁。这个电流也是一个范围，稳态电流+波动电流的最大值。
5 H" }' u1 l6 C" q3.电磁兼容标准要求
既然是滤波器，为的就是滤掉一些不期望的频段，而滤除的效果一般是由EMC测试标准和现场应用的直观结果来确定。尤其是电源滤波器，最好能确定用此滤波器的产品需要通过的是哪个标准，根据标准要求的不同，在选择时也有其特定的测试频段要求。
% D$ E& ?# W1 D4 X- P电源滤波器的主要针对指标是传导发射CE和传导抗扰CS，信号滤波器的则主要看EMC标准里对不期望输入频段和不期望输出频段的要求了。
比如无极灯用的整流器，本身就是一个开关工作状态，会有对外的发射，EMC测试时候会重点检查其开关频率以及其高次谐波成分的传导干扰，滤波器就需要针对这些特定频段或频点具有足够的滤除效果。
, C; I6 r# n( E! l* K+ Q" _4.安规标准要求
  M4 z4 l7 }6 z3 s' y读者可能会觉得奇怪，选滤波器，说安规标准干啥？这是因为滤波器一般用在电源输入端和板卡的接口处，这些部位都是安规问题的重灾区。等于是滤波器一身承担了多个要求。与滤波器有关的安规重点是三个指标：绝缘耐压、漏电流、剩余电压剩余能量。
绝缘耐压打LN对地的绝缘强度，考验的是Y电容的耐压值，Y电容大了，漏电流就会大，容易导致安规要求上的漏电流超标，现在有部分厂家设计上就采取了输入端无Y电容设计（如图）。这样LN对G就成了LN通过L1、Cy1、Cy2、G’对G了，而G和G’是不连的。如果采用了输入端接Y电容的方式，即将Cy1和Cy2放到前面R的左面来，则测试时须注意绝缘耐压的设定和漏电流的大小是正相关的，最高不超过20mA。曾经遇到过差点被退货说滤波器安规不合格的情况，最后经查是1500V时漏电流设定为2mA（应为5mA），测试仪器报警就是正常的了。
, s" l3 f5 |' o" ?2 S0 S另一个问题就是R的选择，有好多厂家的滤波器没装这个电阻，在拔掉插头后，在较短的时间内，去摸电源的插口，如果会有被电的感觉，问题就出在没装这个电阻上。这是个高耐压、起泄放电作用的功率电阻。
! f* `2 S4 L1 c5.滤波器电路结构形式
电路结构形式和期间的参数选择是滤波器的核心，但就是在这一部分，应用工程师的选择常常两眼一摸黑着选，虽然大多时候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的设计方式，浪费资源、埋留隐患的可能性就大大增加。这在需要精益设计、从中国制造到中国创造的电子制造业，从初级工程师向资深工程师的成长期望上来说，都是不合时宜的。
6 x: K0 l1 V. w' c滤波器的作用是对通过其的不同频率有不同的放大效果，对通带内频段的则不衰减，对通带外要抑制的则以几十个dB的级别进行衰减，从而达到过筛子的目的。但就是滤波器在对不同频率的电压幅值采取不同放大倍数的时候，电磁波的相位也在发生变化，因为相位也是和频率有关的，所以滤波器结构形式的选取，也还是有些学问的。
& t& k* _, b- ?7 k' S滤波器结构形式常用的是三种：
a.巴特沃思滤波器：特点是通带内放大倍数平整，通带内，随着频率的变化，滤波器放大倍数基本维持不变；但缺点是通带向截止段的过渡段，过渡的较为平缓。意思是说，敌人和朋友的界限不是很清楚，有一部分朋友也在干着敌人的事情，有一部分敌人也在帮我们，对这一部分是杀掉还是留在组织里，让人很纠结。如果有用频率和干扰频率离得很近，这种滤波器的作用就很有问题。
b.切比雪夫滤波器：它可以很好的解决巴特沃思过渡带平缓的缺点，在这种形式的滤波器中，过渡带很陡峭，即使有用频率和干扰频率很近，因为过渡带很陡峭，所以其截止频率点前后两个频段放大倍数的差别很大，非友即敌，很好区分，是朋友就没干过对不起我们的事，是敌人的就没干过对我们好的事，所以朋友拉入组织优厚待遇，是敌人则干净利落的消灭之。高山之侧必有深谷，一个优点必然伴随着一个缺点，切比雪夫滤波器的缺点是在通带频率的末端部分，放大倍数会有较强的波动，即在通带内，随着频率的变化，放大倍数虽然比滤除频段大了很多，但对通带内的频率，其放大倍数并不是保持稳定不变的，就是说，朋友们的情绪并不稳定，也不是所有朋友都一如既往的付出帮助。（仅做举例说明，不要误解为对朋友的不满哈）
c.贝塞尔滤波器：此种滤波器不是很通用，用的较专，因为它的特性是相位线性。前两种关注的是放大倍数，但如果对语音信号，比如歌曲，通带内放大倍数虽然没有变化，但其旋律却不再悠扬。因为相位的变化导致歌曲的呕呀啁咤难为听。此时，贝塞尔滤波器将会发生其作用。
6 j( A% A! r( C0 `6 n" L9 H至于选择哪种滤波器电路结构形式，电路工程师未必去做深入研究，但须知道自己想要的特性，并提供给滤波器厂家，由他们帮您做选择。
; g. x+ k. q( J" Z现在的电源滤波器都是低通滤波器，通过的都是工频50Hz或60Hz，这是有用频率，其他的全是无用的了，所以用截止频率在1KHz以上的就绰绰有余，因此，盲人骑瞎马似的随便选滤波器，很多时候也没出问题。所以对电源滤波器的选取在工艺、安规上就要多关注了。但在有特定输出或输入的场合，电源滤波器的选择就要谨慎了。比如医疗手术时的电刀产品，其工作频率是500KHz，它本身会对网电源造成干扰，所以电刀的对外传导干扰需要抑制；同时，与电刀共用电源的设备也要警惕，其500KHz也可能会对您产生干扰。
6.插损曲线
/ n% \$ h, H+ R& r滤波器的插损测量当不得真。举例来说，如果我们发现100KHz超标13dB，选择了一款滤波器，从插损曲线上看出其在100KHz时的插损是20dB，觉得此滤波器用上去就肯定就没问题，那就错了，因为厂家的插损曲线都是在50Ω-50Ω的标准阻抗下测得，实际上的应用现场，基本可以肯定不是如此标准的源阻抗和负载阻抗特性，所以滤波器的衰减效果会大打折扣，因此，选择的时候对拟抑制的频率点必须至少留出20dB的余量，如上例就需选择100KHz时插损不低于33dB的滤波器。
, n! o1 H2 F& u5 b, y另外插损分共模插损和差模插损，一般对30MHz以上的干扰，选择共模插损满足上面要求的滤波器，10MHz以下的干扰选择差模插损满足要求的滤波器，对上例100KHz，选择差模插损33dB的滤波器。
7.滤波器的安装形式
, r% a. a( a7 S: ]% ]1 p) G9 b这个问题好理解，一般有板式（有可焊插针引脚）、螺丝固定安装、IEC标准（带单相220V三针输入）、带开关的IEC，这个根据实际结构功能要求选择即可。
8.安装工艺规范
滤波器的安装是仅次于电路结构形式和组成器件指标的技术要素。主要体现在滤波器的位置、接地的措施。位置要求靠近输入或输出端，为的避免输入端输出端线缆上的高频干扰辐射出来影响到其他电路；输入线输出线不得并行走线，不得靠近走线，以免相互串扰造成该干净的干净不了；滤波器课题是金属壳体，接地要求面接地而不是线接地，须保证整个面与地接触良好，不能仅靠固定引脚的螺丝或上面引出的接地导线来接地，导线接地的引线电感量大，高频接地阻抗偏高导致高频接地不良，滤波效果不好；接地线缆不宜用拧接方式，必须选用焊接方式。
5 I9 |1 a1 g- x9.滤波器的Q值
# \4 i; s: S; p. r& WQ值对实际滤波效果影响倒不大，但Q值代表的是损耗 / 输入功率，Q值越高，说明损耗越大，意指会有部分能量在滤波器的电感上被损耗掉。在一般的低功率电源滤波器和信号滤波器上，此问题不会太突出。但在较大功率的滤波器上，这个损耗不可小视，一是会引起发热，发热后的电容会引起较大的负面影响，漏电流、耐压、容值等都会随温度变化而变化；二是耗电量大会导致无谓的电损失。
10.其他
$ K% k/ `" g/ I8 @另外的内容就是滤波器的内部了，作为用户是看不到的，灌封胶的灌封均匀致密程度、器件和金属之间绝缘纸的厚度，这些用户只能通过讯问的方式了解了，至于生产厂家说不说实话，全凭天命。

haiyun0921

很全啊

Smart000123

学习 了