电磁兼容技术交流分享-介绍几种常用的抗干扰滤波器件

伴随电子技术的高速发展，电磁环境日益恶化，大量的电子设备在这种电磁环境中很难正常工作。另一方面，电子设备的迅速增加，又进一步导致电磁环境的恶化。因此，现代电子产品设计技术中，如何选用干扰抑制滤波器件，是我们每一位电子产品设计人员必须面对的问题，本文对此进行了详细的阐述。

1. 穿心电容器 - 馈通滤波器
馈通滤波器常用于移动通讯设备、雷达导航等一些高频处理模块中，与屏蔽结构体配合，处理输入或输出的低频信号，是其他形式的电容器不能替代的产品。现在电子线路的工作频率和周围环境中的电磁干扰频率越来越高，将滤波器安装在线路板上所暴露出的高频滤波不足的问题比较突出。要想在UHF或更高的频段获得更好的滤波效果，特别是保护屏蔽体不被穿透时，必须使用馈通型滤波器解决。馈通型滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出，因此滤波器具有非常好的高频滤波效果。馈通滤波器的电路结构分为C 型（穿心电容）、L 形（一个穿心电容加一个电感）、T 形（两个电感加一个穿心电容）、π 形（两个穿心电容加一个电感）等；滤波器的器件越多，则滤波器的过渡带越短，阻带的插入损耗越大。其中C 型馈通滤波器一般成为穿心电容器。



图1 穿心电容

任何有引线的电容器的滤波效果都会受到接地电感的限制。如图1 所示，通过将电容器外表面直接用螺纹或焊接的方式接到金属屏蔽体或面板上构成电容器的接地。由于地电流分散在中心导体周围360°的范围内，实际上不存在引线电感，电容可以在很高的频率范围内保持良好的性能。

馈通滤波器的使用方法有以下三种：

1）安装在屏蔽体（屏蔽盒、屏蔽机箱等）的面板上。这是最基本的使用方法，当有导线要穿过屏蔽体时，就需要在屏蔽体的面板上安装馈通滤波器，使导线通过馈通滤波器穿过屏蔽体。
2）安装在线路板的地线层上，可以利用线路板的地线层做隔离层和接地层。
3）安装在电路之间的隔离板上。


当条件不具备，馈通滤波器不能安装在屏蔽体面板或地线面上时，安装在金属隔板上也具有普通电容（包括三端电容）不可比拟的高频滤波作用。

馈通滤波器有焊接式安装和螺纹安装两种。焊接式安装的优点是节省空间，滤波性能可靠。但在将滤波器焊接到面板上时，由于面板的热容量远大于滤波器的热容量，因此焊接的局部温度有可能达到很高，容易造成馈通滤波器损坏。焊接时要注意控制焊接的时间和温度。螺纹安装方式简单易行，可以在面板上打通孔，用螺母将馈通滤波器拧紧；也可以直接在面板上打带螺纹的孔，将馈通滤波器直接拧在箱体或面板上。安装时要注意两点，一是扭矩不能太大，馈通滤波器虽然从外表上看与螺钉一样坚固，但是由于内部时空心的，扭矩过大会造成损坏。二是在安装时要套上锯齿垫片，这样可以保持良好的接触。

在选用馈通滤波器电路形式时，一般依据下列情况：
1) 对干扰的衰减量：滤波器的器件数量越多，一般对干扰信号的衰减越大。
2) 有用信号与干扰信号在频率上的差别：有用信号与干扰信号的频率相差越小，需要滤波器的器件数量越多。
3) 使用滤波器的电路的阻抗：一个基本的原则是，滤波器中的电容对着高阻抗电路，电感对着低阻抗电路。这里的所谓高低，可以50Ω 为参考。



图2 EMI 抑制铁氧体图3 铁氧体随频率变化的阻抗分量

2.EMI 抑制铁氧体利用铁氧体（图2 所示）在高频电磁场中的损耗很大，对干扰能量有较强吸收作用的特点，这种材料广泛应用于电子设备的干扰抑制方面。由于铁氧体对高频波的吸收作用（不是反射），可以降低电路中电感抑制电路的Q 值，减小信号谐振问题。EMI 抑制铁氧体与在低频或电源中使用的损耗小的电感材料特性正好相反。图3 显示了在高频时电阻分量是如何对阻抗特性起决定作用的。



图4 铁氧体的使用


将一个铁氧体磁环套在导线或电缆上就构成了一介简单、经济、便于安装的滤波器，如图4 所示。铁氧体的作用是将导线周围的磁场集中起来，从而使导线的电感增加数百倍。铁氧体扼流圈的最大好处是它既不需要重新设计电路，也不需要重新设计结构，因此在设备的改进中广泛应用。生产厂家提供需多种不同内径规格的分体式铁氧体，一般内径从5mm ～ 13mm 不等。当信号线和回流线同时穿过铁氧体时，铁氧体对信号（差
模）没有影响，但会增加共模电流的阻抗。铁氧体的效果可以通过将电缆在铁氧体上多绕几圈或多用几个铁氧体来加强。但增加匝数的改进效果受到寄生电容的限制。

铁氧体的效果随着频率的升高而增加。铁氧体扼流圈的阻抗在10MHz 处通常为几十欧姆，当频率超过100MHz 时，阻抗升高到数百欧姆（具体值取决于形状和尺寸，铁氧体体积越大，阻抗越大）。不同厂家的产品或同一厂家的不同种类的铁氧体，其阻抗随频率的变化都有所不同。图5 是尺寸相同（外径为5mm，长度为11mm）但材料不同的两种铁氧体的特性。

由于铁氧体扼流圈只不过是一个高损耗的电感，因此它只在低阻抗电路中才有作用。在高阻抗电路中使用，其效果很差甚至没有效果。大部分电路，特别是电缆，其阻抗随频率的变化很复杂，并且通常在10 ～ 1,000Ω 范围内。因此单个铁氧体所提供的衰减很有限，一般在10dB 左右，很少超过20dB。铁氧体扼流圈对于降低静电放电电流脉冲的快速上升率别有效，这种静电放电干扰可能会感应进内部电缆。瞬态参量会被铁氧体所吸收，而不是分流或反射到系统的其它部位。



图5 两种不同材质的铁氧体特性

要充分发挥铁氧体的性能，下面一些注意事项十分重要：

1) 铁氧体磁环（磁珠）的效果与电路阻抗有关：电路的阻抗越低，则铁氧体磁环或磁珠的滤波效果越好。因此，在一般铁氧体材料的产品手册中，并不给出铁氧体材料的插入损耗，而是给出铁氧体材料的阻抗，铁氧体材料的阻抗越大，滤波效果也越好。

2) 电流的影响：当穿过铁氧体的导线中流过较大的电流时，滤波器的低频插入损耗会变小，高频插入损耗变化不大。要避免这种情况发生，在电源线上使用时，可以将电源线与电源回流线同时穿过铁氧体。

3) 铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，高频的阻抗越小。

4) 铁氧体磁环的尺寸确定：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在铁氧体磁环内径包紧导线的前提下，尽量使用体积较大的磁环。

5) 共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。

6) 电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为寄生电容增加的缘故。

7) 铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。与电容式滤波连接器一起使用效果更好：由于铁氧体磁环的效果取决于电路的阻抗，电路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了电容式滤波连接器时，其阻抗很低，磁环的效果更明显。