EMC科普：電磁兼容濾波知識大全
[導(dǎo)讀]本文介紹了濾波的概念，并詳細(xì)說明了電阻-電容（RC）低通濾波器的用途和特性。1時(shí)域和頻域當(dāng)我們在示波器上查看電信號時(shí)，會(huì)看到一條線，表示電壓隨時(shí)間的變化。在任何特定時(shí)刻，信號只有一個(gè)電壓值。我們在示波器上看到的是信號的時(shí)域表示。典型的示波器很直觀，但它也有一定的限制性，因?yàn)樗恢?..
本文介紹了濾波的概念，并詳細(xì)說明了電阻 - 電容（RC）低通濾波器的用途和特性。
1時(shí)域和頻域
當(dāng)我們在示波器上查看電信號時(shí)，會(huì)看到一條線，表示電壓隨時(shí)間的變 化。在任何特定時(shí)刻，信號只有一個(gè)電壓值。我們在示波器上看到的是信號的時(shí)域表示。典型的示波器很直觀，但它也有一定的限制性，因?yàn)樗恢苯语@示信號的頻率內(nèi)容。與時(shí)域表示相反，頻域表示（也稱為頻譜）通過識別同時(shí)存在的各種頻率分量來傳達(dá)關(guān)于信號的信息。
正弦波（頂部）和方波（底部）的時(shí)域表示正弦波（頂部）和方波（底部）的頻域表示2什么是濾波器
濾波器是一個(gè)電路，其去除或“過濾掉”特定范圍的頻率分量。換句話說，它將信號的頻譜分離為將要通過的頻率分量和將被阻塞的頻率分量。讓我們假設(shè)我們有一個(gè)由完美的5 kHz正弦波組成的音頻信號。我們知道時(shí)域中的正弦波是什么樣的，在頻域中我們只能看到5 kHz的頻率“尖峰”?，F(xiàn)在讓我們假設(shè)我們激活一個(gè)500 kHz振蕩器，將高頻噪聲引入音頻信號。在示波器上看到的信號仍然只是一個(gè)電壓序列，每個(gè)時(shí)刻有一個(gè)值，但信號看起來會(huì)有所不同，因?yàn)樗臅r(shí)域變化現(xiàn)在必須反映5 kHz正弦波和高頻噪音波動(dòng)。然而，在頻域中，正弦波和噪聲是在該一個(gè)信號中同時(shí)存在的單獨(dú)的頻率分量。正弦波和噪聲占據(jù)了信號頻域表示的不同部分（如下圖所示），這意味著我們可以通過將信號引導(dǎo)通過低頻并阻擋高頻的電路來濾除噪聲。
3濾波器的類型如果濾波器通過低頻并阻止高頻，則稱為低通濾波器。如果它阻擋低頻并通過高頻，它就是一個(gè)高通濾波器。還有帶通濾波器，其僅通過相對窄的頻率范圍，以及帶阻濾波器，其僅阻擋相對窄的頻率范圍。
還可以根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)電路的組件類型對濾波器進(jìn)行分類。無源濾波器使用電阻、電容、電感；這些組件不具備提供放大的能力，因此無源濾波器只能維持或減小輸入信號的幅度。另一方面，有源濾波器既可以濾波信號又可以應(yīng)用增益，因?yàn)樗ㄓ性丛缇w管或運(yùn)算放大器。基于流行的Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源低通濾波器4RC低通濾波器
為了創(chuàng)建無源低通濾波器，我們需要將電阻元件與電抗元件組合在一起。換句話說，我們需要一個(gè)由電阻器和電容器或電感器組成的電路。從理論上講，電阻 - 電感（RL）低通拓?fù)湓跒V波能力方面與電阻 - 電容（RC）低通拓?fù)湎喈?dāng)。但實(shí)際上，電阻 - 電容版本更為常見，因此本文的其余部分將重點(diǎn)介紹RC低通濾波器。
RC低通濾波器如圖所示，通過將一個(gè)電阻與信號路徑串聯(lián)，并將一個(gè)電容與負(fù)載并聯(lián)， 可以產(chǎn)生RC低通響應(yīng)。在圖中，負(fù)載是單個(gè)組件，但在實(shí)際電路中，它可能更復(fù)雜，例如模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，放大器或示波器的輸入級，用于測量濾波器的響應(yīng)。如果我們認(rèn)識到電阻器和電容器形成與頻率相關(guān)的分壓器，我們可以直觀地分析RC低通拓?fù)涞臑V波動(dòng)作。重新繪制RC低通濾波器，使其看起來像分壓器當(dāng)輸入信號的頻率低時(shí)，電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗高; 因此，大部分輸入電壓在電容器上（和負(fù)載兩端，與電容器并聯(lián)）下降。當(dāng)輸入頻率較高時(shí)，電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗較低，這意味著電阻器上的電壓降低，并且較少的電壓傳輸?shù)截?fù)載。因此，低頻通過并且高頻被阻擋。RC低通功能的這種定性解釋是重要的第一步，但是當(dāng)我們需要實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)它并不是很有用，因?yàn)樾g(shù)語“高頻”和“低頻”非常模糊。工程師需要?jiǎng)?chuàng)建通過并阻止特定頻率的電路。例如，在上述音頻系統(tǒng)中，我們希望保留5kHz信號并抑制500kHz信號。這意味著我們需要一個(gè)過濾器，從5 kHz到500 kHz之間的傳遞過渡到阻塞。5截止頻率濾波器不會(huì)引起顯著衰減的頻率范圍稱為通帶，濾波器確實(shí)導(dǎo)致顯著衰減的頻率范圍稱為阻帶。模擬濾波器，例如RC低通濾波器，總是從通帶逐漸過渡到阻帶。這意味著無法識別濾波器停止傳遞信號并開始阻塞信號的一個(gè)頻率。然而，工程師需要一種方便，簡潔地總結(jié)濾波器頻率響應(yīng)的方法，這就是截止頻率概念發(fā)揮作用的地方。當(dāng)我們查看RC濾波器的頻率響應(yīng)圖時(shí)，會(huì)注意到術(shù)語“截止頻率”不是很準(zhǔn)確。信號光譜被“切割”成兩半的圖像，其中一個(gè)被保留而其中一個(gè)被丟棄， 不適用，因?yàn)殡S著頻率從截止點(diǎn)下方移動(dòng)到截止值以上，衰減逐漸增加。RC低通濾波器的截止頻率實(shí)際上是輸入信號幅度降低3dB的頻率（選擇該值是因?yàn)榉冉档?dB對應(yīng)于功率降低50％）。因此，截止頻率也稱為-3 dB頻率，實(shí)際上該名稱更準(zhǔn)確且信息量更大。術(shù)語帶寬是指濾波器通帶的寬度，在低通濾波器的情況下，帶寬等于-3 dB頻率，如下圖所示：該圖表示RC低通濾波器的頻率響應(yīng)的一般特性。帶寬等于-3 dB頻率如上所述，RC濾波器的低通行為是由電阻器的頻率無關(guān)阻抗與電容器的頻率相關(guān)阻抗之間的相互作用引起的。為了確定濾波器頻率響應(yīng)的細(xì)節(jié)，我們需要在數(shù)學(xué)上分析電阻（R）和電容（C）之間的關(guān)系，我們還可以改變這些值，以設(shè)計(jì)滿足精確規(guī)格的濾波器。RC低通濾波器的截止頻率（f C） 計(jì)算如下：我們來看一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)實(shí)例。電容值比電阻值更具限制性，因此我們將從常見的電容值（例如10 nF）開始，然后我們將使用該公式來確定所需的電阻值。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，它將保留5 kHz音頻波形并抑制500 kHz 噪聲波形。我們將嘗試100 kHz的截止頻率，稍后在文章中我們將更仔細(xì)地分析此濾波器對兩個(gè)頻率分量的影響。因此，160Ω電阻與10 nF電容相結(jié)合，將為我們提供一個(gè)非常接近所需頻率響應(yīng)的濾波器。6計(jì)算過濾器響應(yīng)我們可以通過使用典型分壓器計(jì)算的頻率相關(guān)版本來計(jì)算低通濾波器的理論行為。電阻分壓器的輸出表示如下：RC濾波器使用等效結(jié)構(gòu)，但是我們有一個(gè)電容器代替R 2。首先，我們用電容器的電抗（X C）代替R 2（在分子中）。接下來，我們需要計(jì)算總阻抗的大小并將其放在分母中。因此，我們有：電容器的電抗表示與電流的相反量，但與電阻不同，相反量取決于通過電容器的信號頻率。因此，我們必須計(jì)算特定頻率的電抗，我們用于此的等式如下：在上面的設(shè)計(jì)實(shí)例中，R≈160Ω且C = 10nF。我們假設(shè)V IN的幅度是1 V， 這樣我們就可以簡單地從計(jì)算中去掉V IN。首先讓我們以正弦波頻率計(jì)算VOUT的幅度：正弦波的幅度基本不變。這很好，因?yàn)槲覀兊哪康氖窃谝种圃胍舻耐瑫r(shí)保持正弦波。這個(gè)結(jié)果并不令人驚訝，因?yàn)槲覀冞x擇的截止頻率（100 kHz） 遠(yuǎn)高于正弦波頻率（5 kHz）。現(xiàn)在讓我們看看濾波器如何成功衰減噪聲分量。噪聲幅度僅為其原始值的約20％。7可視化過濾器響應(yīng)評估濾波器對信號影響的最方便方法是檢查濾波器頻率響應(yīng)的圖。這些圖形通常稱為波德圖，在垂直軸上具有幅度（以分貝為單位），在水平軸上具有頻率; 水平軸通常具有指數(shù)標(biāo)度，使得1Hz和10Hz之間的物理距離與10Hz和100Hz之間，100Hz和1kHz之間的物理距離相同。這種表示方法使我們能夠快速準(zhǔn)確地評估濾波器在很大頻率范圍內(nèi)的作用。頻率響應(yīng)圖的一個(gè)例子曲線上的每個(gè)點(diǎn)表示如果輸入信號的幅度為1 V且頻率等于水平軸上的相應(yīng)值，則輸出信號將具有的幅度。例如，當(dāng)輸入頻率為1 MHz時(shí)，輸出幅度（假設(shè)輸入幅度為1 V）將為0.1 V（因?yàn)?20 dB對應(yīng)于十倍減少因子）。通帶中的曲線幾乎完全平坦，然后隨著輸入頻率接近截止頻率，它開始下降得更快。最終，衰減的變化率穩(wěn)定在20 dB / decade。即，輸入頻率每增加十倍，輸出信號的幅度降低20 dB。8評估低通濾波器性能如果我們仔細(xì)繪制我們在本文前面設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)，我們將看到5 kHz時(shí)的幅度響應(yīng)基本上是0 dB（即幾乎為零衰減），500 kHz時(shí)的幅度響應(yīng)約為-14 dB（對應(yīng)于0.2的增益）。這些值與我們在上一節(jié)中執(zhí)行的計(jì)算結(jié)果一致。由于RC濾波器總是從通帶到阻帶逐漸過渡，并且因?yàn)樗p永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到無窮大，我們無法設(shè)計(jì)出“完美”的濾波器 - 即對正弦波完全沒有影響并完全消除噪聲的濾波器。相反，我們總是需要權(quán)衡。如果我們將截止頻率移近5 kHz， 我們將有更多的噪聲衰減，但我們想要發(fā)送到揚(yáng)聲器的正弦波衰減更多。如果我們將截止頻率移近500 kHz，我們在正弦波頻率下的衰減會(huì)減少，但噪聲頻率下的衰減也會(huì)減少。9低通濾波器相移到目前為止，我們已經(jīng)討論了濾波器修改信號中各種頻率分量幅度的方式。然而，除了幅度效應(yīng)之外，電抗性電路元件總是引入相移。相位的概念是指周期內(nèi)特定時(shí)刻的周期信號的值。因此，當(dāng)我們說電路引起相移時(shí)，我們的意思是它會(huì)在輸入信號和輸出信號之間產(chǎn)生不對準(zhǔn)：輸入和輸出信號不再在同一時(shí)刻開始和結(jié)束它們的周期。相移值（例如45°或90°）表示已創(chuàng)建多少未對準(zhǔn)。電路中的每個(gè)電抗元件都會(huì)引入90°的相移，但這種相移不會(huì)同時(shí)發(fā)生。輸出信號的相位與輸出信號的幅度一樣，隨著輸入頻率的增加而逐漸變化。在RC低通濾波器中，我們有一個(gè)電抗元件（電容器），因此電路最終會(huì)引入90°的相移。與幅度響應(yīng)一樣，通過檢查水平軸表示指數(shù)頻率的曲線圖，可以最容易地評估相位響應(yīng)。下面描述了一般情況，然后我們可以通過檢查繪圖來填寫詳細(xì)信息。- 相移最初為0°。
- 它逐漸增加，直到它在截止頻率達(dá)到45°;?在這部分響應(yīng)期間，變化率正在增加。
- 在截止頻率之后，相移繼續(xù)增加，但變化率正在降低。
- 隨著相移漸近接近90°，變化率變得非常小。
實(shí)線是幅度響應(yīng)，虛線是相位響應(yīng)。截止頻率為100 kHz。注意，截止頻率下的相移為45°10二階低通濾波器到目前為止，我們假設(shè)RC低通濾波器由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器組成。此配置是一階過濾器。?無源濾波器的“次序”由電路中存在的電抗元件（即電容器或電感器）的數(shù)量決定。高階濾波器具有更多的無源器件，這導(dǎo)致更多的相移和更陡的衰減。通過向?yàn)V波器添加一個(gè)電抗元件 ，例如，從一階到二階或二階到三階，最大斜率就會(huì)增加20 dB /十倍。更陡峭的斜率轉(zhuǎn)換為從低衰減到高衰減的更快速轉(zhuǎn)換，所以當(dāng)一階濾波器不具有將期望頻率分量與噪聲分量分離的寬頻帶時(shí)，用多階濾波器可以實(shí)現(xiàn)目的。11總結(jié)總結(jié)如下：- 所有電信號都包含所需頻率分量和不需要的頻率分量的混合。不期望的頻率分量通常由噪聲和干擾引起，并且在某些情況下它們將對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
- 濾波器是以不同方式對信號頻譜的不同部分作出反應(yīng)的電路。低通濾波器旨在傳遞低頻分量并阻止高頻分量。
- 低通濾波器的截止頻率表示濾波器從低衰減轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著衰減的頻率區(qū)域。
- RC低通濾波器的輸出電壓可以通過將電路視為由（頻率無關(guān)）電阻和（頻率相關(guān)）電抗組成的分壓器來計(jì)算。
- 幅度（以dB為單位，在垂直軸上）與頻率（以赫茲為單位，在水平軸上）的曲線圖是檢查濾波器理論行為的方便有效的方法。我們還可以使用相位與指數(shù)頻率的關(guān)系圖來確定將應(yīng)用于輸入信號的相移量。
- 二階濾波器提供更陡峭的衰減；當(dāng)信號不能在所需頻率分量和不需要的頻率分量之間提供寬帶分離時(shí)，這種二階響應(yīng)是有用的。
EMC寄語：隨著時(shí)代的發(fā)展，越來越多的電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)品都需要進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，其中EMC測試是必備的檢驗(yàn)檢測指標(biāo)之一。但EMC測試項(xiàng)目費(fèi)用較貴，EMC實(shí)驗(yàn)室造價(jià)昂貴，絕大部分測量設(shè)備又需要采用進(jìn)口設(shè)備，導(dǎo)致很少檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)有能力建造EMC實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)品的EMC性能是設(shè)計(jì)階段賦予的，一般電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如果不考慮EMC因素，就會(huì)很容易導(dǎo)致EMC測試失敗，以致不能通過相關(guān)EMC法規(guī)的測試或認(rèn)證。例如，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)工程師們根據(jù)需求，設(shè)計(jì)出效果良好的濾波電路，置入產(chǎn)品I/O(輸入/輸出）接口的前級，可使因傳導(dǎo)而進(jìn)入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處；設(shè)計(jì)出隔離電路（如變壓器隔離和光電隔離等）解決通過電源線、信號線和地線進(jìn)入電路的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)阻止因公共阻抗、長線傳輸而引起的干擾；設(shè)計(jì)出能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量；通過選擇元器件和合理安排的電路系統(tǒng)，使干擾的影響減少。
EMC技能：整改小技巧1、150kHz-1MHz，以差模為主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后基本上是共模。差模干擾的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干擾是共模，低頻段是差摸干擾。用一個(gè)電阻串個(gè)電容后再并到Y(jié)電容的引腳上，用示波器測電阻兩引腳的電壓可以估測共模干擾。2、保險(xiǎn)過后加差模電感或電阻。3、小功率電源可采用PI型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。4、前端的π型EMI零件中差模電感只負(fù)責(zé)低頻EMI，體積別選太大(DR8太大，能用電阻型式或DR6更好)否則幅射不好過，必要時(shí)可串磁珠，因?yàn)楦哳l會(huì)直接飛到前端不會(huì)跟著線走。5、傳導(dǎo)冷機(jī)時(shí)在0.15MHz-1MHz超標(biāo)，熱機(jī)時(shí)就有7dB余量。主要原因是初級BULk電容DF值過大造成的，冷機(jī)時(shí)ESR比較大，熱機(jī)時(shí)ESR比較小，開關(guān)電流在ESR上形成開關(guān)電壓，它會(huì)壓在一個(gè)電流LN線間流動(dòng)，這就是差模干擾。解決辦法是用ESR低的電解電容或者在兩個(gè)電解電容之間加一個(gè)差模電感。6、測試150kHz總超標(biāo)的解決方案：加大X電容看一下能不能下來，如果下來了說明是差模干擾。如果沒有太大作用那么是共模干擾，或者把電源線在一個(gè)大磁環(huán)上繞幾圈， 下來了說明是共模干擾。如果干擾曲線后面很好，就減小Y電容，看一下布板是否有問題，或者就在前面加磁環(huán)。7、可以加大PFC輸入部分的單繞組電感的電感量。8、PWM線路中的元件將主頻調(diào)到60kHz左右。9、用一塊銅皮緊貼在變壓器磁芯上。10、共模電感的兩邊感量不對稱，有一邊匝數(shù)少一匝也可引起傳導(dǎo)150kHz-3MHz超標(biāo)。11、一般傳導(dǎo)的產(chǎn)生有兩個(gè)主要的點(diǎn)：200kHz和20MHz左右，這幾個(gè)點(diǎn)也體現(xiàn)了電路的性能;200kHz左右主要是漏感產(chǎn)生的尖刺;20MHz左右主要是電路開關(guān)的噪聲。處理不好變壓器會(huì)增加大量的輻射，加屏蔽都沒用，輻射過不了。12、將輸入BUCk電容改為低內(nèi)阻的電容。13、對于無Y-CAP電源，繞制變壓器時(shí)先繞初級，再繞輔助繞組并將輔助繞組密繞靠一邊，后繞次級。14、將共模電感上并聯(lián)一個(gè)幾k到幾十k電阻。15、將共模電感用銅箔屏蔽后接到大電容的地。16、在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將共模電感和變壓器隔開一點(diǎn)以免互相干擾。17、保險(xiǎn)套磁珠。18、三線輸入的將兩根進(jìn)線接地的Y電容容量從2.2nF減小到471。19、對于有兩級濾波的可將后級0.22uFX電容去掉(有時(shí)前后X電容會(huì)引起震蕩)?。20、對于π型濾波電路有一個(gè)BUCk電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對傳導(dǎo)150kHz-2MHz的L通道有干擾，改良方法是將此電容用銅泊包起來屏蔽接到地，或者用一塊小的PCB將此電容與變壓器和PCB隔開。或者將此電容立起來， 也可以用一個(gè)小電容代替。21、對于π型濾波電路有一個(gè)BUCk電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對傳導(dǎo)150kHz-2MHz的L通道有干擾，改良方法是將此電容用一個(gè)1uF/400V或者說0.1uF/400V電容代替， 將另外一個(gè)電容加大。22、將共模電感前加一個(gè)小的幾百uH差模電感。23、將開關(guān)管和散熱器用一段銅箔包繞起來，并且銅箔兩端短接在一起，再用一根銅線連接到地。24、將共模電感用一塊銅皮包起來再連接到地。25、將開關(guān)管用金屬套起來連接到地。26、加大X2電容只能解決150kHz左右的頻段，不能解決20MHz以上的頻段，只有在電源輸入加以一級鎳鋅鐵氧體黑色磁環(huán)，電感量約50uH-1mH。27、在輸入端加大X電容。28、加大輸入端共模電感。29、將輔助繞組供電二極管反接到地。30、將輔助繞組供電濾波電容改用瘦長型電解電容或者加大容量。31、加大輸入端濾波電容。32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz這兩處傳導(dǎo)都不過，可在共模電路前加一個(gè)差模電路。也可以看看接地是否有問題，該接地的地方一定要加強(qiáng)接牢，主板上的地線一定要理順，不同的地線之間走線一定要順暢不要互相交錯(cuò)的。33、在整流橋上并電容，當(dāng)考慮共模成分時(shí)，應(yīng)該鄰角并電容，當(dāng)考慮差模成分時(shí)，應(yīng)該對角并電容。34、加大輸入端差模電感。?產(chǎn)品電磁兼容騷擾源有：1、設(shè)備開關(guān)電源的開關(guān)回路：騷擾源主頻幾十kHz到百余kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。2、設(shè)備直流電源的整流回路：工頻線性電源工頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百kHz；開關(guān)電源高頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)十MHz。3、電動(dòng)設(shè)備直流電機(jī)的電刷噪聲：噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。4、電動(dòng)設(shè)備交流電機(jī)的運(yùn)行噪聲：高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。5、變頻調(diào)速電路的騷擾發(fā)射：開關(guān)調(diào)速回路騷擾源頻率從幾十kHz到幾十MHz。6、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)切換的開關(guān)噪聲：由機(jī)械或電子開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。7、智能控制設(shè)備的晶振及數(shù)字電路電磁騷擾：騷擾源主頻幾十kHz到幾十MHz，高次諧波可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。8、微波設(shè)備的微波泄漏：騷擾源主頻數(shù)GHz。9、電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的電磁騷擾發(fā)射：騷擾源主頻幾十kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。10、電視電聲接收設(shè)備的高頻調(diào)諧回路的本振及其諧波：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz，高次諧波可延伸到數(shù)GHz。11、信息技術(shù)設(shè)備及各類自動(dòng)控制設(shè)備的數(shù)字處理電路：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz（經(jīng)內(nèi)部倍頻主頻可達(dá)數(shù)GHz），高次諧波可延伸到十幾GHz。
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