滤波的概念

滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。

一般来说，滤波分为经典滤波和现代滤波。

经典滤波是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念，根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

在经典滤波和现代滤波中，滤波器模型其实是一样的(硬件方面的滤波器其实进展并不大)，但现代滤波还加入了数字滤波的很多概念。

电源滤波器

电源滤波器的基本原理

电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许直流或50Hz电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。

电源滤波器的主要指标

当我们选用电源滤波器时，应主要考虑三个方面的指标;首先是电压/电流，其次是插入损耗，最后是结构尺寸。由于滤波器内部一般是经过灌封处理的，因此环境特性不是主要问题。但是所有的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定的影响。

电压、电流对使用效果的影响

电源有交流直流之分，与此相对应，许多厂家的电源滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲，交流电源滤波器既可用在交流电源上，也可在直流电源上使用;但直流电源滤波器不能用在交流的场合，这主要因为直流滤波器中的电容器的耐压较低，并且有可能其交流损耗较大，导致过热。即使直流滤波器耐压没有问题，由于直流滤波器中使用了容量较大的共模滤波电容器，如果在交流的场合会产生漏电流超标的问题。因此，直流电源滤波器绝对不能用在交流的场合。交流滤波器用在直流场合，从安全的角度看没有问题，但要付出成本和体积的代价;在样机阶段，如果手头正好有交流滤波器，可以代替直流滤波器。

当电源滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会造成滤波器过热，而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。这是因为滤波器中的电感在较大电流的情况下，磁芯会发生饱和现象，使实际电感量减小。因此，确定滤波器的额定工作电流时，要以设备的最大工作电流为准，确保滤波器在最大电流状态下具有良好的性能，否则当干扰在最大工作电流状态下出现时，设备会受到干扰或传导发射超标。

在确定滤波器的额定电流时，要留有一定的余量;特别是人们习惯上对交流电称“有效值”，而不是交流电的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般滤波器的额定电流值应取实际电流值的1.5倍。

干扰电源滤波器分类

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。

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。

EMI抑制铁氧体铁氧体随频率变化的阻抗分量

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。

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。

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。