有的顧客以為EMI濾波器的插入損耗越高越好,濾波網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)越多越好。其實這并不是選擇濾波器的正確方法。此外,級數(shù)越多的濾波網(wǎng)絡(luò),價格越貴,體積和重量也越大。其實選擇和評估電源線濾波器的唯一辦法是將其裝到設(shè)備上進(jìn)行試驗。正如上面所提到的濾波器,性能很大程度上取決于設(shè)備負(fù)載阻抗。而不能單一從阻抗(50Ω)插入損耗數(shù)據(jù)來推導(dǎo),它是一項濾波元件阻抗與設(shè)備阻抗的復(fù)雜函數(shù),其量值及相位在頻率范圍內(nèi)有變化。濾波器選擇試驗所要求的傳導(dǎo)輻射控制(FCC,VDE)及靈敏性控制的不同性能等級在設(shè)備上進(jìn)行。
2. 是不是所有具有相同電路及元件值的濾波網(wǎng)絡(luò),性能都相同?
所有具有相同電路及元件值的濾波網(wǎng)絡(luò),性能并不一樣.元件值是在某一頻率(通常為1KHz)時指定和測得的,而濾波器的性能是在整個頻率范圍內(nèi)都需要的,而不僅僅在元件測量時的頻率。元件的結(jié)構(gòu)形式及接入濾波器的方法,對濾波器的性能都是相當(dāng)重要的。
3. 安裝對濾波器的性能重要嗎?
安裝及接線對濾波器的性能影響較大。電源線濾波器最好安裝在設(shè)備的電源線輸入端。濾波器是高頻信號的障礙,其作用決不能因離散耦合電源輸入線與電源輸出線或受保護(hù)設(shè)備的任何其它導(dǎo)體而失效。
在安裝電源濾波器時,要注意以下幾點:
1) 電源濾波器的外殼與設(shè)備地之間必須有良好的電氣連接。不要把濾波器安裝在絕緣材料板或噴漆表面上,要安裝在金屬機殼上。還要避免使用長接地線,這樣會大大增加接地電感和電阻,從而嚴(yán)重降低濾波器的共模抑制性能。比較好的方法是:用金屬螺釘與彈簧(星行)墊圈將濾波器的金屬屏蔽外殼牢牢固定在系統(tǒng)電源入口處的機殼上,或用銅編織麻花接地帶與地點相連。
2) 在捆扎設(shè)備時,嚴(yán)禁將濾波器的輸入輸出電纜捆扎在一起。因為這樣加劇了濾波器輸入輸出之間的電磁耦合,嚴(yán)重破壞濾波器對EMI信號的抑制能力。
3) 不要將濾波器安裝在設(shè)備屏蔽的內(nèi)部。因為這樣,設(shè)備內(nèi)部電路及元件上的EMI信號會因輻射在濾波器的端引線上生成EMI信號而直接耦合到設(shè)備外面去,使設(shè)備屏蔽喪失對內(nèi)部電路和元件產(chǎn)生的EMI輻射的抑制。
4) 建議利用設(shè)備原有的屏蔽,將濾波器的輸入輸出端有效的隔離開來,將濾波器輸入輸出端間可能存在的電磁耦合控制到最低程度。
一般濾波器的殼體是接到所保護(hù)設(shè)備的框架或機殼上,線側(cè)導(dǎo)線應(yīng)保持短小并與負(fù)載側(cè)導(dǎo)線很好地隔離。理想的隔離系統(tǒng)是壁裝濾波器,帶有進(jìn)線插座。
濾波器的主要參數(shù)
濾波器的主要參數(shù)(Definitions) 中心頻率(Center Frequency):濾波器通帶的中心頻率f 0 ,一般取f 0 =(f 1 +f 2 )/2,f 1 、f 2 為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。截止頻率
中心頻率(Center Frequency):濾波器通帶的中心頻率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。窄帶濾波器常以插損最小點為中心頻率計算通帶帶寬。
截止頻率(Cutoff Frequency):指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標(biāo)準(zhǔn)定義。相對損耗的參考基準(zhǔn)為:低通以DC處插損為基準(zhǔn),高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準(zhǔn)。
通帶帶寬(BWxdB):(下圖)指需要通過的頻譜寬度,BWxdB=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn),下降X(dB)處對應(yīng)的左、右邊頻點。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征濾波器通帶帶寬參數(shù)。分?jǐn)?shù)帶寬(fractional bandwidth)=BW3dB/f0×100[%],也常用來表征濾波器通帶帶寬。
插入損耗(Insertion Loss):由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗,以中心或截止頻率處損耗表征,如要求全帶內(nèi)插損需強調(diào)。
紋波(Ripple):指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內(nèi),插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動的峰-峰值。
帶內(nèi)波動(Passband Riplpe):通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動是1dB。
帶內(nèi)駐波比(VSWR):衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜?biāo)。理想匹配VSWR=1:1,失配時VSWR>1。對于一個實際的濾波器而言,滿足VSWR<1.5:1的帶寬一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關(guān)。
回波損耗(Return Loss):端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數(shù),也等于|20Log10ρ|,ρ為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時回波損耗為無窮大。
阻帶抑制度:衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法:一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB,計算方法為fs處衰減量As-IL;另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)——矩形系數(shù)(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可為40dB、30dB、20dB等)。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1,制作難度當(dāng)然也就越大。
延遲(Td):指信號通過濾波器所需要的時間,數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導(dǎo)數(shù),即Td=df/dv。
帶內(nèi)相位線性度:該指標(biāo)表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計的濾波器具有良好的相位線性度,但頻率選擇性很差,限于脈沖、或調(diào)相信號傳輸系統(tǒng)應(yīng)用。
1、特征頻率:
①通帶截頻fp=wp/(2p)為通帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。
②阻帶截頻fr=wr/(2p)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。
③轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2p)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率,在很多情況下,常以fc作為通帶或阻帶截頻。
④固有頻率f0=w0/(2p)為電路沒有損耗時,濾波器的諧振頻率,復(fù)雜電路往往有多個固有頻率。
2、增益與衰耗
濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。
①對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時的增益;高通指w→∞時的增益;帶通則指中心頻率處的增益。
②對帶阻濾波器,應(yīng)給出阻帶衰耗,衰耗定義為增益的倒數(shù)。
③通帶增益變化量△Kp指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量,如果△Kp以dB為單位,則指增益dB值的變化量。
3、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)
阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用,是濾波器中表示能量衰耗的一項指標(biāo)。
阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù),是*價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標(biāo),Q= w0/△w。式中的△w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬, w0為中心頻率,在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。
4、靈敏度
濾波電路由許多元件構(gòu)成,每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy,定義為:Sxy=(dy/y)/(dx/x)。
該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概念,該靈敏度越小,標(biāo)志著電路容錯能力越強,穩(wěn)定性也越高。
5、群時延函數(shù)
當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時,為保證輸出信號失真度不超過允許范圍,對其相頻特性∮(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計中,常用群時延函數(shù)d∮(w)/dw*價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時延函數(shù)d∮(w)/dw越接近常數(shù),信號相位失真越小。
濾波器的作用和濾波器的類型
濾波器對不同頻率的信號有不同的作用:在通帶內(nèi)使信號受到很小的衰減而通過;在通帶與阻帶之間的一段過渡帶使信號受到不同程度的衰減;在阻帶內(nèi)使信號受到很大的衰減而起到抑制作用。
按照濾波器的三種頻帶在全頻帶中分布位置的不同,濾波器可分為以下四種基本類型:低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器。除此之外,還有一種濾波器——全通濾波器,各種頻率的信號都能通過,但通過以后不同頻率信號的相位有不同的變化,實際上全通濾波器是一種移相器。
濾波器的類型
根據(jù)組成電路的不同,濾波器還可分為:LC無源濾波器、RC無源濾波器、特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器。
LC無源濾波器:由電感和電容構(gòu)成,具有良好的頻率選擇特性,并且信號能量損失小、噪聲低、靈敏度低。缺點:電感元件體積大不便于集成化、在低頻和超低頻范圍內(nèi)品質(zhì)因數(shù)低(頻率選擇性差)。
RC無源濾波器:與LC無源濾波器相比,用電阻取代了電感,解決了體積大的缺陷,但此類濾波器的頻率選擇特性比較差,一般只用作低性能的濾波器。
特殊元件構(gòu)成的無源濾波器:這類濾波器諸如:機械濾波器、壓電陶瓷濾波器、晶體濾波器等。工作原理一般是通過電能與機械能或分子振動的動能間的相互轉(zhuǎn)換,并與器件固有頻率諧振實現(xiàn)頻率的選擇,多用作頻率選擇性能很高的帶通或者帶阻濾波器。優(yōu)點:品質(zhì)因數(shù)可達(dá)千萬至數(shù)萬、穩(wěn)定性很高,可實現(xiàn)其他類型濾波器無法實現(xiàn)的特性。缺點:種類有限、調(diào)整不方便,一般僅用于某些特殊場合。
RC有源濾波器:該類型的濾波器克服了RC無源濾波器中電阻元件消耗信號功率的缺陷,在電路中引入具有能量放大作用的有源器件如:電子管、晶體管、運算放大器等有源器件,能夠彌補損失的能量,使RC濾波器既具有了像LC濾波器一樣的良好頻率選擇特性,又具有體積小、便于集成的優(yōu)點。
濾波器安裝注意事項
板上濾波器雖然對高頻的濾波效果不理想,但是如果應(yīng)用得當(dāng),可以滿足大部分民用產(chǎn)品電磁兼容的要求。在使用時要注意以下事項:
1、“干凈地”
如果決定使用板上濾波器,在布線時就要注意在電纜端口處留出一塊“干凈地”,濾波器和連接器都安裝在“干凈地”上。通過前面的討論,可知信號地線上的干擾是十分嚴(yán)重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上,會造成嚴(yán)重的共模輻射問題。為了取得較好的濾波效果,必須準(zhǔn)備一塊干凈地。并與信號地只能在一點連接起來,這個流通點稱為“橋”,所有信號線都從橋上通過,以減小信號環(huán)路面積。
2、濾波器要并排設(shè)置
同一組電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線的未濾波部分在—起,已濾波部分在一起。否則,一根導(dǎo)線的耒濾波部分會將另一根導(dǎo)線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效。
3、濾波器要盡量靠近電纜的端口
波器與面板之間的導(dǎo)線的距離應(yīng)盡量短。必要時,使用金屬板遮擋一下,隔離近場干擾。
4、濾波器與機箱的搭接
安裝濾波器的干諍地要與金屬機箱可靠地搭接起來,如果機箱不是金屬的,就在線路板下方設(shè)置一塊較大的金屬板來作為濾波地。干凈地與金屬機箱之間的搭接要保證很低的射頻阻抗。如有必要,可以使用電磁密封襯墊搭接,增加搭接面積,減小射頻阻抗。
5、濾波器接地線要短
考慮到引腳的電感效應(yīng),其重要性前面已討淪,濾波器的局部布線和設(shè)計線路板與機箱(金屬板)的連接結(jié)構(gòu)時要特別注意。
6、濾波線與未濾波線分組
在端口濾波的電纜和不濾波的電纜應(yīng)盡量遠(yuǎn)離,防止發(fā)生上述的耦合問題。