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滤波器选择需注意的十个问题

近期接触几位技术工程师朋友在选用滤波器,发现了不少有意思的问题,才发现波平浪静处水最险,简曰“灯下黑”。于是才斗胆诞生此文。


1、如果未经过对仪器的EMI、EMS指标测试就选定了滤波器,基本上属于“盲人骑瞎马、夜半临深池”的主儿;
2、如果机器上选择的是一个市面上买来的通用滤波器,这个滤波器基本上是可以不加的;
3、滤波器8分定制、2分通用才算比较靠谱。


下此结论的原因是因为最近遇到的好几起事情,都加了滤波器,但传导就是不过,最后还是根据测试结果给设计了个滤波器样品,一装上ok才算pass,其实设计本身也并不复杂,不过多加了一级差模电容和差模电感、或调整了一下滤波器电感电容的参数而已。通用型的IEC插座滤波器,里面的空间很小,一般只能放得下2个共模电容、一个差模电容和一个共模电感,靠这点东西就能放之四海而皆准,难度莫大焉。

那滤波器应如何选型?

第一种是预知晓(起码是估计)需滤掉的杂波频点或频段和强度,然后提出对滤波频段的衰减要求,将此要求提给厂家,由厂家给您设计一款适用的滤波器。

第二种是先设计产品,结构空间上预留出装滤波器的位置,等产品装好后进行测试,根据测试的结果确定滤波器的滤除频点和衰减特性。

除此二者外,基本上没有其他的方法能有效地选好滤波器。


案例1:如低频无极灯产品,整流器开关频率220KHz,此频率是干扰的基频,其他干扰频率基本都是此频点的高次谐波,在起初设计时,就可以根据预估给出滤波器的要求来,220KHz频点时,共模插损ILCM=60dB 差模插损ILDM=60dB,根据这个要求,滤波器厂家就可以设计出滤波器来。


如手术室用监护仪,与手术刀在共同的环境下使用,手术刀的频率是500KHz,可以根据预估给出对滤波器的要求,500KHz频点时,共模插损ILCM=70dB 差模插损ILDM=70dB,根据这个要求,滤波器厂家就可以设计出滤波器来。

插损这个指标,行规是在50Ω的标准负载下测得的,但实际电路中,阻抗匹配的不可能这样标准,因此,插损的指标在使用会打些折扣。所以预估时要求指标要高些。
 
案例2:某产品未加滤波器时的测试结果,画黑圈的是两个主要的超标频点,最左侧的点是213KHz,超标7dB左右,右面一个是它的高次谐波,可以不必理它,213K滤掉了,那个也就跟着消除了。

作为电子设计工程师,能预估出、或能测出预定的干扰频率和提出拟衰减的指标来,这就够了。

滤波器有多种,做仪器设备中常用到的是电源滤波器和信号滤波器。其他类型的作无功功率补偿的电力滤波器、微波频段的滤波器不是这里讨论的内容。
 
滤波器的选择需要考虑以下多点:

1、电压

这个电压值要求是一个范围,是稳态电压±纹波电压的综合。
 
2、电流

电流的指标很关键,它决定了滤波器内部的电感的绕组铜线和引出线的线径。如果选细了,细导线上跑大电流,如小马拉大车,会引起严重发热以至烧毁。这个电流也是一个范围,稳态电流+波动电流的最大值。
 
3、电磁兼容标准要求

既然是滤波器,为的就是滤掉一些不期望的频段,而滤除的效果一般是由EMC测试标准和现场应用的直观结果来确定。尤其是电源滤波器,最好能确定用此滤波器的产品需要通过的是哪个标准,根据标准要求的不同,在选择时也有其特定的测试频段要求。
 
电源滤波器的主要针对指标是传导发射CE和传导抗扰CS,信号滤波器的则主要看EMC标准里对不期望输入频段和不期望输出频段的要求了。

比如无极灯用的整流器,本身就是一个开关工作状态,会有对外的发射,EMC测试时候会重点检查其开关频率以及其高次谐波成分的传导干扰,滤波器就需要针对这些特定频段或频点具有足够的滤除效果。
 
4、安规标准要求

读者可能会觉得奇怪,选滤波器,说安规标准干啥?这是因为滤波器一般用在电源输入端和板卡的接口处,这些部位都是安规问题的重灾区。等于是滤波器一身承担了多个要求。与滤波器有关的安规重点是三个指标:绝缘耐压、漏电流、剩余电压剩余能量。

绝缘耐压打LN对地的绝缘强度,考验的是Y电容的耐压值,Y电容大了,漏电流就会大,容易导致安规要求上的漏电流超标,现在有部分厂家设计上就采取了输入端无Y电容设计(如图)。这样LN对G就成了LN通过L1、Cy1、Cy2、G’对G了,而G和G’是不连的。如果采用了输入端接Y电容的方式,即将Cy1和Cy2放到前面R的左面来,则测试时须注意绝缘耐压的设定和漏电流的大小是正相关的,最高不超过20mA。曾经遇到过差点被退货说滤波器安规不合格的情况,最后经查是1500V时漏电流设定为2mA(应为5mA),测试仪器报警就是正常的了。

另一个问题就是R的选择,有好多厂家的滤波器没装这个电阻,在拔掉插头后,在较短的时间内,去摸电源的插口,如果会有被电的感觉,问题就出在没装这个电阻上。这是个高耐压、起泄放电作用的功率电阻。
 
5、滤波器电路结构形式

电路结构形式和期间的参数选择是滤波器的核心,但就是在这一部分,应用工程师的选择常常两眼一摸黑着选,虽然大多时候也差不多可以用,但既不知己也不知彼的设计方式,浪费资源、埋留隐患的可能性就大大增加。这在需要精益设计、从中国制造到中国创造的电子制造业,从初级工程师向资深工程师的成长期望上来说,都是不合时宜的。

滤波器的作用是对通过其的不同频率有不同的放大效果,对通带内频段的则不衰减,对通带外要抑制的则以几十个dB的级别进行衰减,从而达到过筛子的目的。但就是滤波器在对不同频率的电压幅值采取不同放大倍数的时候,电磁波的相位也在发生变化,因为相位也是和频率有关的,所以滤波器结构形式的选取,也还是有些学问的。

滤波器结构形式常用的是三种:


a、巴特沃思滤波器:特点是通带内放大倍数平整,通带内,随着频率的变化,滤波器放大倍数基本维持不变;但缺点是通带向截止段的过渡段,过渡的较为平缓。意思是说,敌人和朋友的界限不是很清楚,有一部分朋友也在干着敌人的事情,有一部分敌人也在帮我们,对这一部分是杀掉还是留在组织里,让人很纠结。如果有用频率和干扰频率离得很近,这种滤波器的作用就很有问题。


b、切比雪夫滤波器:它可以很好的解决巴特沃思过渡带平缓的缺点,在这种形式的滤波器中,过渡带很陡峭,即使有用频率和干扰频率很近,因为过渡带很陡峭,所以其截止频率点前后两个频段放大倍数的差别很大,非友即敌,很好区分,是朋友就没干过对不起我们的事,是敌人的就没干过对我们好的事,所以朋友拉入组织优厚待遇,是敌人则干净利落的消灭之。高山之侧必有深谷,一个优点必然伴随着一个缺点,切比雪夫滤波器的缺点是在通带频率的末端部分,放大倍数会有较强的波动,即在通带内,随着频率的变化,放大倍数虽然比滤除频段大了很多,但对通带内的频率,其放大倍数并不是保持稳定不变的,就是说,朋友们的情绪并不稳定,也不是所有朋友都一如既往的付出帮助。(仅做举例说明,不要误解为对朋友的不满哈)


c、贝塞尔滤波器:此种滤波器不是很通用,用的较专,因为它的特性是相位线性。前两种关注的是放大倍数,但如果对语音信号,比如歌曲,通带内放大倍数虽然没有变化,但其旋律却不再悠扬。因为相位的变化导致歌曲的呕呀啁咤难为听。此时,贝塞尔滤波器将会发生其作用。

至于选择哪种滤波器电路结构形式,电路工程师未必去做深入研究,但须知道自己想要的特性,并提供给滤波器厂家,由他们帮您做选择。

现在的电源滤波器都是低通滤波器,通过的都是工频50Hz或60Hz,这是有用频率,其他的全是无用的了,所以用截止频率在1KHz以上的就绰绰有余,因此,盲人骑瞎马似的随便选滤波器,很多时候也没出问题。所以对电源滤波器的选取在工艺、安规上就要多关注了。但在有特定输出或输入的场合,电源滤波器的选择就要谨慎了。比如医疗手术时的电刀产品,其工作频率是500KHz,它本身会对网电源造成干扰,所以电刀的对外传导干扰需要抑制;同时,与电刀共用电源的设备也要警惕,其500KHz也可能会对您产生干扰。

6、插损曲线

滤波器的插损测量当不得真。举例来说,如果我们发现100KHz超标13dB,选择了一款滤波器,从插损曲线上看出其在100KHz时的插损是20dB,觉得此滤波器用上去就肯定就没问题,那就错了,因为厂家的插损曲线都是在50Ω-50Ω的标准阻抗下测得,实际上的应用现场,基本可以肯定不是如此标准的源阻抗和负载阻抗特性,所以滤波器的衰减效果会大打折扣,因此,选择的时候对拟抑制的频率点必须至少留出20dB的余量,如上例就需选择100KHz时插损不低于33dB的滤波器。

另外插损分共模插损和差模插损,一般对30MHz以上的干扰,选择共模插损满足上面要求的滤波器,10MHz以下的干扰选择差模插损满足要求的滤波器,对上例100KHz,选择差模插损33dB的滤波器。

7、滤波器的安装形式

这个问题好理解,一般有板式(有可焊插针引脚)、螺丝固定安装、IEC标准(带单相220V三针输入)、带开关的IEC,这个根据实际结构功能要求选择即可。

8、安装工艺规范

滤波器的安装是仅次于电路结构形式和组成器件指标的技术要素。主要体现在滤波器的位置、接地的措施。位置要求靠近输入或输出端,为的避免输入端输出端线缆上的高频干扰辐射出来影响到其他电路;输入线输出线不得并行走线,不得靠近走线,以免相互串扰造成该干净的干净不了;滤波器课题是金属壳体,接地要求面接地而不是线接地,须保证整个面与地接触良好,不能仅靠固定引脚的螺丝或上面引出的接地导线来接地,导线接地的引线电感量大,高频接地阻抗偏高导致高频接地不良,滤波效果不好;接地线缆不宜用拧接方式,必须选用焊接方式。

9、滤波器的Q值

Q值对实际滤波效果影响倒不大,但Q值代表的是损耗 / 输入功率,Q值越高,说明损耗越大,意指会有部分能量在滤波器的电感上被损耗掉。在一般的低功率电源滤波器和信号滤波器上,此问题不会太突出。但在较大功率的滤波器上,这个损耗不可小视,一是会引起发热,发热后的电容会引起较大的负面影响,漏电流、耐压、容值等都会随温度变化而变化;二是耗电量大会导致无谓的电损失。

10、其他

另外的内容就是滤波器的内部了,作为用户是看不到的,灌封胶的灌封均匀致密程度、器件和金属之间绝缘纸的厚度,这些用户只能通过讯问的方式了解了,至于生产厂家说不说实话,全凭天命。


来源:电子工程世界网

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