维普资讯 http://www.cqvip.com ・58・ 飞机设计第3期2002年9月 滤波器的设计与安装 王天顺 (沈阳飞机设计研究所,沈阳,110035) 摘要分离信号、抑制干扰是滤波器的基本功能。要把电源线的传导干扰电平控制在标准规定的极限 值内,安装电磁干扰滤波器是一种有效的办法。本文介绍了电源线滤波器的设计方法和安装要求,并对滤波 器插入损耗的测试问题进行了探讨。 关键词反射滤波器;吸收滤波器;插入损耗;铁氧体管 滤波器定义为由集总参数元件和分布常数元 件组成的网络,它允许某些频率的信号传输,阻 止另外一些频率的信号传输。 滤波器的通带是指衰减小或者没有衰减的频 率范围,阻带是指需要衰减的频率范围。滤波器 的是,若要实现规定的衰减,则必须使整个阻带 区内阻抗失配。当所需的阻带覆盖几个或几十个 频程时,保证大的阻抗失配是有一定困难的。此 外,在某些场合,电源阻抗往往是未知的,并且 随频率激烈变化。在这种情况下,滤波器的性能 与设计指标是不同的。当频带扩展到几个频程 时,滤波器会出现虚假谐振。虚假谐振的产生是 集总参数滤波器中的杂散电抗和寄生电抗引起 按其通带或阻带在频谱中的相对位置可分为低 通、高通、带通和带阻4个基本类型。电源线滤 波器是低通滤波器,它通过低于其截止频率的所 有频率,衰减高于其截止频率的信号。当直流和 交流电源频率的电流通过它的时候,没有明显功 率损失,而对高于这些频率的信号却有很大的衰 减。 滤波器根据衰减方法又可以分为反射滤波器 和吸收滤波器两类。反射滤波器是通过把能量反 的,这些虚假谐振会降低阻带或通带的响应特 性。 吸收滤波器通过在有耗介质中或薄片电阻材 料中把不需要的信号变成热的方法来衰减不需要 的信号。这些材料的特点是在宽的连续频率范围 内,有低的直流衰减和相当好的高频衰减特性。 它的衰减与信号通过损耗材料的行程成正比,吸 收滤波器在阻带内不出现虚假通带。由于不需要 的能量被滤波器中的损耗材料吸收,因此滤波器 输人端和输出端的阻抗失配对滤波器的衰减特性 影响很/J、。 稍I线或J’I)t 射阐源中的方法来衰减不需要的信号,因此要求 滤波器在很宽的频率范围内呈现带通或带阻的特 性。为了使反射滤波器满足设计要求,即具有规 定的带通或带阻特性,滤波器的输人端和输出端 必须和滤波器的设计阻抗相一致。值得特别注意 fCM) r’ 一一一E机 奉结铂 ● a)单线制电路 b)双线制或多线制电路 图1电源线的干扰模式 收文日期:2002—03—1l 作者简介:王天顺(1943--),男,高级工程师,主要从事飞机电磁兼容性设计和试验工作 维普资讯 http://www.cqvip.com 王天顺:滤波器的设计|Ij安装 1 电源线的干扰模式 电源线的干扰模式如图1所示,其中z 是源 阻抗,Z。.是负载的输入阻抗。 图1,a)是以飞机壳体为地线的单线制电路, 只有高频干扰,没有共模干扰和差模干扰之分。 图1,b)是以专线作为接地线的双线制或多线制电 路。在这种电路中,两线之间的高频干扰为差模 干扰,线与飞机壳体之间的干扰为共模干扰。根 据大量的测试数据总结出共模干扰和差模干扰电 平的分布情况:通常,在0.01~0.1 MHz频率范 围内,差模干扰处于主导地位,在0.1~1 MHz 频率范围内,差模干扰与共模干扰共存,在1~ 30 MHz频率范围内共模干扰处于主导地位。 2滤波器设计准则 在实际应用中,要有效地抑制电磁干扰信 号,必须根据滤波器两端将要连接的电源阻抗和 负载阻抗来选择滤波器的网络结构和参数,才能 得到满意的抑制效果。当滤波器的输出阻抗和与 之端接的负载阻抗不相等时,在输出端口上会产 生反射。两者相差越大,端口产生的反射也越 大。如果滤波器两端阻抗都处于失配状态,电磁 干扰信号会在它的输入和输出端都产生反射,这 样,实现对电磁干扰信号更有效的抑制。一般来 说,端接容性负载时,由于端接负载与滤波器的 输出阻抗同是容性,因此滤波器对电磁干扰信号 的抑制能力低于电阻负载。端接感性负载的插入 损耗比端接电阻的好得多,因为这种阻抗端接使 滤波器在很宽的频率范围内造成严重失配,得到 了比端接电阻时好的抑制性能。 设计时,应使滤波器在通带内呈低的串联阻 抗和高的并联阻抗,而在阻带范围,其并联阻抗 应很小,串联阻抗应很大。因此,对于不同的电 路应设计不同形式的滤波器,有助于减小电源阻 抗和负载阻抗对滤波器频率特性的影响。C型滤 波器和L型滤波器比较适合电源阻抗和负载阻抗 不相等的场合。对于低电源阻抗和高负载阻抗的 电路,应设计L型滤波器;对于高电源阻抗和低 负载阻抗的电路,应设计C型滤波器。T型滤波 器适用于电源阻抗和负载阻抗都比较低的电路。 兀型滤波器适用于电源阻抗和负载阻抗都比较高 的电路。 ・59・ 3技术参数 3.1 插入损耗 插入损耗是滤波器重要的电气性能参数,它 表征了对干扰的抑制能力。设计时,在保证滤波 器安全和可靠性能满足标准要求的前提下,实现 尽可能高的插入损耗。插入损耗与滤波器结构、 元件参数、工作频率以及电源和负载的阻抗有 关。假定电源阻抗与负载阻抗相等的条件下,T 型滤波器、兀型滤波器、L型滤波器的插入损耗 可分别由(1)式、(2)式、(3)式计算: 儿(T型)=10 lg[(1一∞ LC) + ( 一to3L 2C一R 一 +下十丁toCR J.z](dB) , (1), IL(n型)=10 lg[(1一∞ LC) + (\ 2R 一t—o3L2 C2R—+∞cR)z](dB)’~ J\ ~/ (2)、一/ ‰ 叫 掣 (3) 由于电源线滤波器的输入和输出阻抗不是固 定的,为了对它的插入损耗进行比较,手册中给 出的是50 Q系统的插入损耗。实际使用中,滤 波器端接的阻抗可能大于或者小于50 Q,这时, 插入损耗儿可依据在50 Q系统中的数值按(4)式 进行换算: 儿 g[ ](dB) (4) 式中, ——电源阻抗,Q; ——负载阻抗,Q; z ——转移阻抗,Q,其数值可根据50 Q系统中的插入损耗(图2)中查取。 ; , 兰 ‘ H(】 三 三。0 l(J 2n (1 l|r- lfI I I1“ 11l…t I1 i I J1 __ ,.11j l J i J 阜 i# fl 4. f『]l 图2 50 n系统的插入损耗与转移阻抗的关系 维普资讯 http://www.cqvip.com ・60・ 3.2 阻抗 为使滤波器频率特性与设计值相符,要求与 它连接的电源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时 的规定值。如果电源阻抗的负载阻抗是未知值, 或者该值在一个很大的范围内变化,可以在它的 输入端和输出端同时并接一固定电阻,以便使滤 波器具有一个比较平稳的滤波特性。 电源线滤波器不能影响设备的正常工作,也 不能降低系统电路的性能。因此,在通带范围 内,滤波器的输入、输出阻抗必须与电源和负载 的阻抗相匹配。 3.3额定电压 滤波器的额定电压,必须足以保证在预期的 极端条件下可靠的工作。因此,对滤波器的额定 电压必须作出规定,以确保每个滤波器适用于它 的具体用途,特别是在输入电压是一短时间的持 续脉冲或电压变化范围很大的场合。 3.4额定电流 额定电流是指在连续运行时,不破坏滤波器 中电阻和电感器性能的最大容许电流。滤波器的 额定电流应当按其所用的电路允许的连续工作状 态来规定,而且应同导线、元件、电路开关和保 险丝额定电流相一致。额定电流定得太高,将不 必要地加大滤波器的体积和质量,额定电流定得 太低,则又会降低设备的可靠性和工作的安全 性。 3.5 电压降 最大电流确定后,电压降的要求决定了滤波 器的最大通带插入损耗,因此,应当规定通过滤 波器的最大允许电压降。 3.6频率 规定滤波器的频率特性时,必须考虑电路的 工作频率和所要抑制的频率。 3.7温度 滤波器的温度范围必须与设备正常工作的最 低温度和最高湿度相适应,在飞机上使用的滤波 器,应满足所在区域的温度要求。 3.8尺寸和质量 在大多数情况下,尺寸和质量是选择滤波器 时所要考虑的重要因素,特别是对于装在飞机上 的电源线滤波器。 3.9可靠性 滤波元件的可靠性应与设备的可靠性要求相 一致,并且略高于设备内部其他元件的可靠性。 飞机设计第3期2002年9月 这是因为,作为抗电磁干扰用的滤波器,其故障 往往比其他元件的故障更难查找。 4滤波器的结构 4.1单相滤波器 单相电源线滤波器的基本网络结构如图3所 示,它是由集总参数元件构成的无源网络。 j井敝 体 一…………一…__.___……一 £ ! 图3单相电源线滤波器的基本网络结构 单相电源线滤波器由2只电感和3只电容器 组成。£ 和£ 是绕在同一磁环上的2只独立线 圈,它们所绕圈数相同,绕向相反。滤波器接入 电路后,2只线圈内电流产生的磁通在磁环内相 互抵消,不会使磁环达到磁饱和状态,从而使2 只线圈的电感值保持不变。线圈厶和 的电感 量均为0.3~38 mH,若要求滤波器的低频性能好 一些,可选择电感量大一点。C 的容量约为0.15 ~10 F,Cy的取值范围为1 000~6 800 pF。一般 来说,厶和£:的电感量和C 的电容量大时,其低 频端的插入损耗较高。C 的电容量小时,其高频端 差模插入损耗比C 大时为好,但低频端差模插入 损耗较差。 电容器C 接在电源线的相线£和中线,v之 间,它上面除加有电源的额定电压外,还迭加了 £和,v之间存在的各种干扰源的峰值电压。电容 器失效后会丧失滤波功能,但不会导致电击,不 危及人身安全。电容器c 是接在相线£和地线E 之间。为了防止通过接地平面为共模电流提供低 阻抗通路而影响到同一接地面上的其他设备,按 GJB151A一97的规定,每根导线的线与地之间的 电容量,对于50 Hz的设备应小于0.1 IxF,对于 400 Hz的设备应小于0.02 IxF。同时,还要求这 种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余 量,以避免在极端恶劣的环境下出现击穿现象。 在图3中, 和一只C ,£:和另一只C ,分别 维普资讯 http://www.cqvip.com 王天顺:滤波器的设计与安装 ・6l・ 构成 一E和Ⅳ一E两对独立端口的低通滤波器, 分别构成两对独立端口的低通滤波器,用来抑制 用来抑制电源线上的共模干扰信号。由于磁环材 料的不均匀和两线圈绕制过程中出现的不完全对 称,使得L 和 的电感量不相等,因此,共模线圈 又和C 组成独立端口间的一只低通滤波器,用来 抑制电源线上的差模干扰信号。 4.2开关电源滤波器 4.2.1开关电源的特点 开关电源与线性稳压电源相比,省去了笨重 电源线上存在的共模干扰信号。虽然 ,和厶绕在 同一磁环上,他们所绕圈数相同,线圈绕向相 £ 反,但是由于种种原因,使 ,和£ 的电感量不相 等。厶和 之差值称为差模电感,在绕制很佳的 两只线圈中,差模电感仅是共模电感的1%左右。 共模电感之差值和C 又组成独立端口间的一只低 。】 £ 、r A 通滤波器,用来抑制电源线上存在的差模干扰信 号。但是,共模电感之差形成的差模电感量是很 有限的,因此,增加了£ 和JL ,它们与C 电容器 组成了差模抑制网络。 的电源变压器,具有体积小、效率高的优点,在 军用、民用电子设备上得到广泛的应用。但是, 开关电源本身就是一个严重的电磁干扰源,当它 该滤波器共模为L型结构,输人阻抗高,输出 阻抗低;差模为双L型结构,输入输出阻抗都较高。 用在数字电路的时候,它产生的电磁干扰信号更 为强烈和复杂。开关电源的工作频率一般选在几 十千赫,这样,开关电源产生的电磁干扰信号正 好落在要控制的传导干扰信号的频率范围内。要 把它产生的电磁干扰信号,特别是低频段的干扰 信号控制在电磁兼容性标准规定的极限值内,必 须设计专门的电磁干扰滤波器。 4.2.2滤波器的网络结构 图4是开关电源线滤波器的网络结构,把滤 波器的电源端接电源的进线,负载端接被干扰设 图4开关电源线滤波器 4.3三相滤波器 备。 和 的电感量均为210 H,L,和厶的电感 量均为16 mH,C 的电容量为0.1 F,C 的电容 量为0.47 F。这样, 和一只Cy, 和另一只Cy …………………___……图5是三相电源线滤波器,此类滤波器是抑 制三相供电电源线传人的电磁干扰信号,同时也 防止用电设备产生的干扰信号进人供电电源。 #蔽 L14 …………… i 尺只 f尺[ _(1● ,_ o =f、 .一,、r’r 尺由毒 ,-ro 、^r、 : 一,1 ^ 牛 ,Yo£, L., 一,V、L 广V、 O c}. o 上,/7-L _,V、 n 一 一负找 ’ 善一… ’一’’一…’’一’一一 ’一’ 一’’一’’一’ 一… 一一’一’’一一’ 图5三相电源线滤波器 在图5中, , , ,, 是绕在同一磁环上的 共模电感, , , , 是独立绕制的差模电感。在 成L型滤波器,用来抑制电源线上的共模干扰, 差模电感与C 组成了抑制差模干扰的低通网络。 制作滤波器的时候,把线圈 , , ,, 的同名端 接电源,另一端接负载。这样,线圈L ,L ,L,,L 在 磁环上产生的磁通相互抵消,只要设计合理,虽 然有大的电流流过,仍不会使磁环处于磁饱和状 态,它们的电感值不会发生变化。 与单相电源线滤波器一样,共模电感与C 组 4.4吸收式滤波器 吸收式滤波器一般做成介质传输线形式常 用的介质是铁氧体材料。铁氧体是一种包含有粒 状化合物的不活泼烧结物它能使穿过它的那段 ,,导线的阻抗局部加大以阻止高频电流通过。由 于铁氧体内不存在有机物质因此,即使在恶劣 ,,维普资讯 http://www.cqvip.com ・62・ 飞机设计第3期2002年9月 的环境下,其性能仍然十分稳定。铁氧体在交变 磁场作用下,会像其他磁性材料一样产生涡流、 通密度是有限的。可能因为设计和制造的缺陷, 在不加载时具有很好的插入损耗,当承受很大的 额定电流时,电流流经2组线圈在磁环内产生的 磁滞损耗和剩余损耗,这类损耗随着磁场频率 的升高而增加。 磁通量不能有效地相互抵消,致使磁环发生饱 和。这样,引起滤波网络的电感大幅度下降,以 致滤波器的插入损耗急剧下降。这也是滤波器开 发阶段要彻底解决的问题。所以,作为检查滤波 器质量的第一步是检查不加载条件下的插入损 耗。如果不加载条件下测得的插入损耗不满足设 穿在线上的有孔铁氧体管形成单匝高频扼流 圈,在低频呈现低阻抗,在很宽的高频范围呈现 适当的高阻抗,增长铁氧体管的长度,将按比例 增加串联阻抗。电源系统常用的一种同轴型吸收 滤波器,就是以内外表面均涂有导电材料的铁氧 体管制成的。图6给出了用50 n测试系统测得的 2种吸收滤波器的插入损耗曲线,它们均用外径 16 mm、内径 9.5 rn/n的铁氧体管制成,仅是 长度不同而已。铁氧体管可直接装在电缆连接器 的插头上,它没有饱和及谐振现象,可以使用到 100 MHz以E。 I , 管长 .0 C / , / / 一 ./ /。 管长7 j cm 一一 .1 () 频率(MHz) 图6铁氧体管的插入损耗曲线 5插入损耗的测量 滤波器插入损耗的标准测量法一般是在50 n 系统内进行,有少数厂商在6O n或75 n系统内 测量。目前世界各国均采用标准测量法来测量滤 波器的插入损耗特性。当然,标准测量法测得的 插入损耗与滤波器应用时实现对电磁干扰信号的 衰减不可能一致。这是因为,两种情况下,滤波 器的端接负载不同,绝大多数负载阻抗都是随频 率在很大范围内变化。 滤波器的测量又分为不加电流/电压的测量 和加载额定电 电压的测量。在加载测量时. 为了既能把额定电流/电压正确馈送到滤波器的 引出端子上,又不致引起信号发生器的信号流向 加载电流/电压源,必须采用缓冲网络。一个设 计正确,制造无误的电源线滤波器在加载条件下 测得的共模和差模损耗与不加载条件下测得的结 果应基本一致。如果有较大变化,是由于设计参 数不妥,所用材料选择不当或制造质量问题造成 的,因为磁性元件制作的电源线滤波器的饱和磁 计要求,那么在加载条件下自然也不会满足要求 的。 电源线滤波器是用来抑制设备电源线上的传 导发射,因此在实际应用中,现场测量是十分必 要的。如果这个滤波器是用来抑制设备电磁兼容 性测试中电源线的传导发射,那么,首先要测试 没有加滤波器的传导发射数据,然后把滤波器安 装在合适的地方,再次测量该电源线的传导发 射。比较2次测量结果,其差就是该电源线滤波 器的实际插入损耗。 6滤波器的安装 滤波器的安装质量对衰减特性影响很大,为 了使滤波器有最佳的滤波效果,只有把滤波器正 确地安装到设备或设施上。滤波器的安装应遵循 以下几点。 a)滤波器不要与设备安装在同一底板上。因 为滤波器是用来抑制设备产生的电磁干扰,这个 电磁干扰信号受到滤波器的抑制后,在电源端的 电磁干扰信号电流比负载端的电流大得多。如果 将滤波器与设备安装在同一底板上,由于滤波器 输入输出间存在公共阻抗,那么在公共接地阻抗 的支路上有一个很大的电磁干扰信号电压。这个 在负载端的干扰电压直接耦合到滤波器的电源 端,使滤波功能削弱,以致丧失对电磁干扰的抑 制能力。为了避免公共阻抗的影响,可以将滤波 器安装在设备舱内的隔板上,这时,虽然在其电 源端和负载端都有回路阻抗,但相互问没有发生 电磁耦合。这样,避免了公共阻抗耦合造成的滤 波器抑制能力下降的问题。 b)电源供电线路的滤波器应安装在设备或屏 蔽壳体的电源入口处,并对滤波器加以屏蔽,屏 蔽体应与设备壳体良好搭接。 c)电动机、变流机等干扰源应和它们的电源 线滤波器安装在一个屏蔽箱体内,滤波器装在电 维普资讯 http://www.cqvip.com 王天顺:滤波器的设计与安装 ・63・ 源的人口处, 电源输入线不能在屏蔽箱体内裸 露。 7 结束语 滤波器的设计是一个科学问题,也是技巧问 d)滤波器中电容器引线应尽可能短,以免感 抗与容抗在较低频率上谐振,电容器和其他元件 间应正交安装,减小相互间的耦合。 e)滤波器的接地线上有很大的短路电流通 题。它在很大程度上取决于滤波器设计工程师的 判断能力及所用的方法。 参考文献 [1][美]B.E凯瑟著,肖华庭等译.电磁兼容性原理.北京: 电子工业出版社.1985 过,会造成有害的电磁辐射,所以滤波器抑制元 件自身要进行良好的电磁屏蔽和接地处理。 f)滤波器输入和输出引线不能交叉,并应有 [2]吕仁清,蒋全兴编著.电磁兼容性结构设计.南京:东南大 学出版社,1990 屏蔽层,否则输入和输出引线间的耦合将导致滤 波特性的下降。 【3j陈穷主编.电磁兼容性工程没汁手册.北京:国防工业出版 社.1993 [4]GB7343—87 10kl ̄一30MIIz无源无线电干扰滤波器和抑制 元件抑制特性的测量方法 DESIGN AND INSTALLATIoN oF FILTERS Wang Tianshun (Shenyang Aircraft Design&Research Institute,Shenyangl 10035,China) Abstract Fundamental functions of filters are dissociation signal and repression electromagnetic inter. feres.It is a effective method that power line filters are Installed, in order to contr01 the levels of conducted in. . terfere on the power line within the limits speciied in EMC stafndardIt is presented in the paper Oll design way and installed requirement of the power line fliters and It is dis. cussed simply on test of insertion—loss of filters. Key words reflective filters;lossy filters;insertion—loss:ceramic fe £e