《电磁兼容原理、技术及及应用》第4章 滤波
电磁兼容原理、技术及应用 课件 梁振光
第2章 电磁兼容基本原理
2.1 电磁兼容的基本概念 2.2 电磁骚扰源 2.3 电磁骚扰的传播 2.4 保证电磁兼容性的方法
2.1 电磁兼容的基本概念
2.1.1 有关电磁兼容的定义
电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility—EMC)
1) 国家标准GB/T 4365-1995《电磁术语》的定义： 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对 该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的 能力。
cn
A
T
sin(nπ / T ) nπ / T
sin(nπtr / T ) nπtr / T
信号频谱：
适当延长梯形波的上升时间和下降时间，则 该信号的高频谐波分量可大为减小
2.3 电磁骚扰的传播
将传播方式按耦合机理分类：
2.3.1 电流流通路径 什么是电流？
电荷的移动形成电流（传导电流IC）； 电场的变化也形成电流（位移电流ID）。
被干扰电路中的负载上的干扰电压
U L2 jMI1Z L2 /(Z S 2 Z L2 )
磁场耦合不需要直接的电连接，当骚扰信号的 频率高（电流随时间变化快），被干扰电路回路 面积大（互感大），被干扰电路的负载阻抗远大 于其源阻抗时，磁场耦合严重。
为减小磁场耦合的影响，应采取如下措施： ①降低骚扰电流的频率； ②减小回路之间的互感； ③减小被干扰回路的负载阻抗。
为减小互感，可减小回路面积；增大回路间的 距离；避免回路面平行布置；采取屏蔽措施。
2.3.4 电场耦合 当骚扰源为高电压、小电流时，它对周围导体、
电路的影响，主要表现为电场耦合干扰。
骚扰源通过电容耦合作用于被干扰电路
在导线2上产生的干扰电压为
电磁兼容原理及应用教程课件第四章
4.2.1 试验等级
试验等级
试验等级的选择
试验等级应按照最贴近实际的安装和环境条件来选 择，上表中提供了一个指导原则。
第16页，共70页。
一般来说，当考虑选择一个适用于特殊环境 的试验等级时，最关键的参数是放电电流的 变化速率，它可通过充电电压，峰值放电电 流和上升时间的不同组合来获得。
第5页，共70页。
(7) 脉冲持续时间(半峰值)为50(1±30%)ns；
(8) 开路输出电压范围：0.25kV(1-10%)～4kV(１ +10%)。
快速瞬变脉冲群发生器特性的校验
由于各种类型发生器的特性具有分散性，因而可能出现 试验结果的不确定性，这样就需要有一个标准化的校验 和试验程序。为了能够比较由不同的试验发生器所得出 的试验结果，应校验试验发生器的特性。
(4)受试设备按正常要求放置和连接。除参考平面外， 受试设备与其他任何导电结构之间距离应大于0.5m；
第9页，共70页。
(5)使用耦合夹耦合时，除了接地参考平面之外，耦合
板与其他所有导电器件之间距离不小于0.5m；
(6) 受试设备应严格按照产品技术要求规范接地，不多加 接地；
(7) 用耦合装置来施加试验电压。 (8) 耦合装置和受试设备之间的信号线和电源线的长 度应不大于1m。
保持时间
至少5s
放电，操作方式
1s)
单次放电(连续放电之间的时间至少
放电电流波形
见下图
第19页，共70页。
第20页，共70页。
➢ 静电放电发生器元器件选择
通常情况下，用150pF士10pF电容器模拟人体电容， 330Ω的放电电阻模拟人体电阻。放电回路电缆，一 般长为2m，它的结构应符合发生器的波形要求，并且有
EMC知识电磁兼容及电源滤波器概述
EMC知识电磁兼容及电源滤波器概述EMC的核心目标是保证各种设备的正常工作，同时也保证设备不会对周围的环境和其他设备造成无线电干扰。
它涉及到电磁辐射和电磁敏感性两个方面的问题。
电磁辐射是指电子设备在运行过程中产生的电磁波辐射到周围环境中的现象。
这种辐射可能对其他设备和电子设备本身造成干扰。
因此，对于电磁辐射，我们需要采取相应的措施来限制辐射的幅度，以保证设备在一定的电磁辐射标准内运行。
电磁敏感性是指电子设备受到周围环境中的电磁波干扰所产生的敏感性。
这种干扰可能导致设备失效或不正常工作。
因此，对于电磁敏感性，我们需要采取相应的措施，如屏蔽和过滤，使设备能够在一定干扰环境下正常工作。
为了满足EMC要求，我们通常会使用电源滤波器。
电源滤波器是电磁兼容性设计中的关键元件，其功能是限制电源线上的干扰电压和电流，使其不会通过电源线传播到其他设备中。
电源滤波器通常由电容和电感组成，可以减少线路中的高频噪声以及回路中的共模噪声。
其基本原理是通过电感的电流引起的电压降低来抑制电磁噪声。
电源滤波器有几种常见的类型，包括单级电源滤波器、多级电源滤波器以及LC型电源滤波器等。
根据不同的需求和应用场景，我们可以选择不同的电源滤波器类型。
在设计电源滤波器时，需要考虑的关键参数包括通带插入损耗、阻带衰减、通频带范围以及功率损耗等。
这些参数决定了电源滤波器的性能和效果。
总之，EMC和电源滤波器是电磁兼容性设计中必不可少的部分。
EMC 旨在保证各种电子设备和电磁系统之间的相互兼容性，而电源滤波器则是用于减少电源线上的干扰，以保证设备正常工作。
只有在满足EMC要求的前提下，各种电子设备才能在同一环境下稳定工作。
电磁兼容中滤波器的工作原理
电磁兼容中滤波器的工作原理同一个滤波器，在某个情况下可以工作得很好。
但在另一种情况下就可能工作得很差。
所以，在进一步讨论之前，至少应该对我们所需要使用的滤波器的基本工作原理有所了解。
滤波器是通过对沿着一个导体流动的信号造成阻抗的不连续性来达到对该信号滤波目的的。
这个阻抗不连续性越大，被滤波的信号衰减也就越大。
假如，一个导体对一个无用信号的阻抗为1002，而现在，我们又将另一个1k2的阻抗串接其中，其结果是，大约只有该无用信号的10%能得以通过这个高阻抗一一个大约为20B的衰减。
通过使用一个低阻抗与上例中的100Ω导体相并联（分流），也可以达到类似的效果。
假如并联电阻的阻值仅为102的话，则这种设计也将能提供大约20dB的衰减。
如右图中显示了各种基本的EMC（低通）滤波器。
一些最简单的类型仅为一个电阻或一个电感。
它们在电路中的存在，形成了一个串联的高阻抗。
这类滤波器的最佳使用场合是无用信号为低阻抗的情况。
仅为一个电容的简单滤波器类型，形成的则是并联的低阻抗。
当将它们用于无用信号为高阻抗情况下，它们的性能将处于最佳状态。
但在实际应用中，很少有可能会达到它们技术数据中所列举的衰减值。
这是因为，它们的应用性能还依赖于它们的RF接地完整性（理想化情况下，在所有的频率上，它们都应具有零阻抗）。
事实上，这也是永远不可能达到的。
同时，在实际应用中，还会由于电阻本身的寄生旁路电容的存在，在高频状态下，它们会在相当程度上丧失它们的原有电阻性能。
而电感也会由于它自身的寄生旁路电容的存在造成其电感性能的变差或大部分丧失。
况且，还会由此而引起自谐振，而限制了它们的高频性能。
用于EMC的电感，最好是具有闭合的磁路（诸如环形的、圆筒形的等，以及其他不带空气隙的形状）。
不幸的是，这意味着在大电流情况下，可能会由于饱和而造成它们的性能下降（将在后面做进一步的讨论）。
电容同样会由于其自身以及引线电感而引起谐振，并限制了它们的高频性能。
电磁兼容设计中的滤波技术
电磁兼容设计中的滤波技术摘要：电磁兼容可通过将干扰抑制于扰乱电子系统或子系统正常工作的电平以下来实现，这种兼容一般通过采用滤波器及将元件或设备屏蔽而获得，而本文主要介绍电磁兼容设计中的滤波技术。
从滤波器的作用、基本原理以及其分类方面做了简要的叙述。
关键字：电磁兼容，滤波器，滤波技术，共模，差模任何电子设备或电子系统的设计都应包括电磁兼容设计。
在设计阶段就考虑电磁兼容。
对于滤波技术来说，为了满足EMC标准规定的CE和CS （传导敏感度）极限值要求，使用EMI 滤波器是一种好方法。
通常要采用某种形式的滤波以降低电源线及信号线的发射，滤波器衰减决定于源及负载阻抗。
即若滤波器与源、负载阻抗不匹配，将会产生最小的传输信号（EMI ）功率。
另外还要考虑电磁干扰是共模还是差模。
共模是指两导体上的对地参考噪声电压，差模是指一个导体相对另一个导体的电压，一般情况下两种电磁干扰都需要衰减。
1滤波器的作用由电磁屏蔽技术我们知道，任何直接穿透屏蔽体的导线都会造成屏蔽体的失效。
在实际中，很多出现屏蔽问题的机箱（机柜）就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容实验失败，这是缺乏电磁兼容经验的设计师感到困惑的典型问题之一。
解决这个问题的有效方法之一是在电缆的端口处使用滤波器，滤除电缆上不必要的频率成份，即可以减小电缆产生的电磁辐射，也可以防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内部。
概括得说：滤波器的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必要的信号频率有很大的衰减作用，这样就使产生干扰的机会减小为最少。
从电磁兼容的角度考虑，电源线也是一个穿过机箱的导体，它对设备电磁兼容性的影响与信号线是相同的。
因此电源线上必须安装滤波器。
特别是近年来开关电源广泛应用，开关电源的特征除了体积小、效率高、稳压范围宽外，强烈的电磁干扰发射也是一大特征，电源线上如果不安装滤波器，就没有可能满足电磁兼容的要求。
安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器。
4电磁兼容技术-滤波2
有屏蔽的场合：在屏蔽界面上 无屏蔽的场合
板上滤波器
滤波器靠近被滤 波导线的靠近器 件或线路板一端。
板上滤波器的注意事项
滤波器要并排安装 为滤波设置干净地
滤波器靠近接口
在接口处设置档板
线路板的干净地与金属机 箱或大金属板紧密搭接
面板上滤波的简易（临时）方法
容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短
锰锌：r = 500 ~ 10000，R = 0.1~100m 镍锌：r = 10 ~ 100，R = 1k ~ 1Mm
铁氧体：最常用
超微晶：r > 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心
电源线滤波器的特性
理想滤波器特性
损 耗Biblioteka 实际滤波器特性越来越受到关注
30MHz
频率
一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。
要注意的一个小问题
低通滤波器对脉冲干扰的抑制
A
2VIPd
输入脉冲频谱
A
2VIPd
输出脉冲频谱
f IL 滤波器特性
+ fCO
f
f
相当于脉冲的上升时间和 脉宽变大，而幅度没有减 小。
fCO
低通滤波器抑制脉冲的效果
低通滤波器
实际干扰电流路径
对接地没有把握 时，避免使用 形滤波器！
滤波器接地阻抗
预期干扰电流路径
电源线滤波器的基本电路
差模电容 共模扼流圈 共模电容
共模滤波电容受到漏电流的限制
共模扼流圈
有意增加漏磁， 利用差模电感
共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁 芯不会饱和。
电感磁芯的选用
铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯
滤波技术在电磁兼容设计中的应用
波器两大类。 信号选择滤波器是能有效去除不需要的信号分量，同时是对被
选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。 电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。 从频率选择的角度出发，电磁干扰滤波器属于低通滤波器。 电磁干扰滤波器常常又分为信号线滤波器、电源线滤波器、印
流圈组合（如图27中的Lc2、Cx2）。 差模电容器Cx1、Cx2、Cx3只衰减差模干扰电流，它们的电容值可以较大，通常为
0.1～0.47μF。 注意源和负载的阻抗可能很低，以致于电容器起不到作用。 因此根据具体情况，可以省略阻抗很低那端的一只电容器。
在许多场合，典型结构的滤波器不能提供满意的衰减效果。 此时，基本滤波器可以通过一些方式来扩展其功能。 附加的差模扼流圈Ld1、Ld2，是在L和N线上独立的线圈，因此对差模信号呈现
d) 正确安装
对于图29C，大部分滤波器内部的共模滤波电容连接到滤波器的金属 外壳上，在安装时，通过将滤波器的金属外壳直接安装在机箱上实 现滤波器的接地。在这种安装方式中，滤波器的外壳没连接到机壳 上，因此共模滤波电容悬空，起不到滤波的作用。
图29 D才是滤波器的正确安装方式。这里，滤波器的输入线很短，并 且利用机箱将滤波器的输入端和输出端隔离开。
它安装在靠近电网的一端，必须能够承受预期的最大瞬态能量。 安装在这里能够保护电感不至于饱和并保护Cx电容器及所有后级
电路。
大容量的Cx应用一只泄放电阻R来保护，以防止电源断开时L和N 线线之间保持的充电电荷造成人身伤害。
在开关电源的直流输出端可加入图28所示的直流输出滤波网络。 该滤波网络由共模扼流圈Lc1、差模扼流圈Ld1和差模电容Cx1、Cx2组
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距离电偶极源越近，则反射损耗越大（波阻抗越高）。磁偶极源，则正好相反。 频率影响：频率升高时，电场的波阻抗变低，磁场波的波阻抗变高。同时屏蔽材
料的阻抗发生变化（变大）。对于平面波，由于波阻抗一定（377），因此随 着频率升高，反射损耗降低。
说明： • B为负值，其作用是减小屏蔽效能 • 当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略 • 对于电场波，可以忽略
—对于电场波，反射损耗已很大了，进入屏蔽体的能量已经很小了， 所以可以忽略。
24
综合屏蔽效能 (0.5mm铝板) EMC-4
屏蔽效能（dB）
250
150 平面波
高频时 电磁波种类 的影响很小
若 ZC （7.9/Df）（磁场源）
h
SE = 20lg ( D/l) + 20lg (1 + 2.3lg (l/h) )
EMC-4
屏蔽是利用感应涡流的反磁场排斥原骚扰磁场而达到屏蔽
的目的，涡电流的大小直接影响屏蔽效果。屏蔽体电阻越小
产生的感应涡流越大而且屏蔽体自身的损耗也越小。
所以高频磁屏蔽材料需用良导体。 注：因为高频时铁磁材料的磁性损耗(包括磁滞损耗和涡流
损耗)很大，导磁率明显下降。 铁磁材料的屏蔽不适用于高频磁场屏蔽。 屏蔽盒上缝的方向必须顺着涡流方向并且要尽可能地缩小缝
13
屏蔽效能
EMC-4
屏蔽前场强 E1, H1
屏蔽后场强 E2，H2
对电、磁场和电磁波产生衰减的作用就是电磁波屏蔽, 屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:
SE = 20 lg ( E1/ E2 ) , SH = 20 lg ( H1/ H2 ) dB 衰减量与屏蔽效能的关系
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U1 IL 20lg( ) U2
IL越大，对 骚扰抑制越？
第4章 滤波
2、频率特性
滤波器的插入损耗随频率的变化即为频率特性。
信号无衰减地通过滤波器的频率范围称为通带，而 受到很大衰减的频率范围称为阻带。 根据频率特性，可把滤波器大体上分为四种：低通 滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。 表4-1给出了这四种滤波器的频率特性曲线。 滤波器的频率特性又可用中心频率、截止频率、最 低使用频率和最高使用频率等参数反映。
第4章 滤波
第4章
4.1 滤波器的特性 4.2 反射式滤波器 4.3 吸收式滤波器
滤 波
4.4 电磁干扰滤波器
4.5 电源线滤波器 4.6 元件非理想特性的影响
第4章 滤波
滤波技术(Filtering Technique)是抑制电气、电子设备 传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主
要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要辅助措
4.2 反射式滤波器
反射式滤波器是指由电感器和电容器组成的, 能
阻止无用信号通过, 并把它们反射回信号源的滤波
器。 其种类有四种: 低通滤波器、 高通滤波器、 带
通滤波器和带阻滤波器。
第4章 滤波 1.
低通滤波器是指低频通过、 高频衰减的一种滤 波器。 电磁兼容设计中，低通滤波器用得最多，因为：
① 电磁干扰大多是频率较高的信号，因为频率越高的信 号越容易辐射和耦合。
(4-2)
图 4-2 并联电容低通滤波器
第4章 滤波
(2) 串联电感低通滤波器
如图4-3所示, 源阻抗和负载阻抗相等时, 插入损
π fL 2 IL 1 0 lg 1 R
式中: IL——插入损耗(dB);
L——滤波电感(H)。
(d B)
图 4-6
T型低通滤波器
第4章 滤波
2. 高通滤波器
在降低电磁干扰上, 高通滤波器虽不如低通滤波器应用 广泛, 但也有用途。 常被用于从信号通道上滤除交流电源频
率或抑制特定的低频外界信号。
图4-8 低通滤波器向高通滤波器的转换
第4章 滤波
3. 带通滤波器
带通滤波器是对通带之外的高频或者低频干扰 能量进行衰减，允许通带内的信号无衰减地通过。 带通滤波器电路结构如下图所示。带通滤波器 并接于干扰线和地之间, 以消除电磁干扰信号, 达到 兼容的目的。
第4章 滤波
表4-1 滤波器的频率特性
第4章 滤波
3． 阻抗特性
滤波器的输入阻抗、输出阻抗直接影响其插入损 耗特性。
在许多使用场合，出现滤波器的实际滤波特性与 生产厂家给出的技术指标不符，这主要是由滤波器 的阻抗特性决定的。因此，在设计、选用、测试滤 波器时，阻抗特性是一个重要技术指标。 在使用EMI滤波器时，应保证在输入、输出最大限 度失配的情况下，有合乎要求的最佳抑制效果。
(d B)
第4章 滤波
(4) π型滤波器(Π-SectionFilter)
π型低通滤波器的线路如图4-5所示。
在宽波段内具有高的插入损耗, 体积也较适中。 当 源阻抗与负载阻抗都为R时, 其插入损耗为
2 2 2 L LC R 2 2 IL 10 lg (1 LC) CR (dB) (4-5) 2R 2
(1) 按照滤波器的能量损耗特性：反射滤波器和损 耗滤波器等。 (2)按照在电路中的位置和作用：信号滤波、电源 滤波、EMI滤波、电源去耦滤波和谐波滤波。 (3)按照电路中是否包含有源器件：无源滤波和有源 滤波 。 (4)按照频率特性：高通、低通、带通、带阻滤波。
第4章 滤波
4.1 滤波器的特性
1、插入损耗（Insertion Losses）
第4章 滤波
4． 额定电压 滤波器工作时允许的最高电压。 若输入滤波器的电压过高，会使 滤波器内部的元件损坏。 滤波器工作时，不降低插入损耗性 能的最大使用电流。 一般情况下，额定电流越大，滤波 器的体积、重量和成本越大；使用 温度越高，工作频率越高，其允许 的工作电流越小。
5． 额定电流
第4章 滤波
π型滤波器抑制瞬态干扰 不是十分有效。采用金属壳 体屏蔽滤波器能够改善π型 滤波器的高频性能。对于非 常低的频率，使用π型滤波 器可提供高衰减，如屏蔽室 的电源线滤波。
图 4-5
π型低通滤波器
第4章 滤波
(5) T型低通滤波器
T 型低通滤波器的线路如图4-6所示。当源阻抗和负载 阻抗均为R时, 2 3 2 L L C CR 2 2 (dB) (4-6) IL 10 lg (1 LC) R 2R 2 T型滤波器能够有效 地抑制瞬态干扰，主要缺 点是需要两个电感器，使 滤波器的总尺寸增加。
施。滤波的实质是将信号频谱划分成有用频率分量和干扰 频率分量两个频段，剔除干扰频率分量部分。 在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量可以很 容易地通过，在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的
传输。因此，凡与需要传输的信号频率不同的骚扰，都可
以采用滤波器加以抑制。
第4章 滤波
滤波器有多种分类方法：
② 数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必
须滤除，防止对其它电路产生干扰。 ③ 电源线上的滤波器都是低通滤波器。
第4章 滤波
(1) 并联电容低通滤波器
如图4-2所示, 如果源阻抗和负载阻抗相等, 则插
IL＝10 lg[1+(πf RC)2] ( dB)
式中: IL——插入损耗(dB); f——工作频率(Hz); R——源或者负载阻抗(Ω); C——滤波电容(F)。
(4-3)
图 4-3 串联电感低通滤波器
第4章 滤波
(3) L型低通滤波器 (L-Section Filter)
L型低通滤波器的电路结构如图4-4所示。
2 1 L 2 2 IL 1 0 lg (2 LC) CR 4 R