PCB设计中滤波方法以及注意事项详解.docx
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PCB设计中滤波方法以及注意事项详解
PCB设计中滤波方法以及注意事项详解
许多设备单台做电磁兼容实验时都没有问题，但当两台设备连接起来以后，就不满足电磁兼容的要求了，这就是电缆起了接收和辐射天线的作用。
唯一的措施就是加滤波器，切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完美的电磁干扰防护，无论是抑制干扰源、消除耦合或提高接收电路的抗能力。
都可以采用滤波技术，如图所示。
滤波器的使用
1.线上干扰的类型
线上的干扰电流按照其流动路径可以分为两类：
一类是差模干扰电流，另一类是共模干扰电流。
差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰。
共模干扰电流是在火线、零线与大地（或其它参考物体）之间流动的干扰电流，共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。
在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。
由于这两种干扰的抑制方式不同，因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。
2．滤波器的分类
滤波器是由电阻、电容、电感、铁氧体磁珠和共模线圈等器件构成的频率选择性网络。
根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。
（1）低通滤波器
低通滤波器是电磁兼容抑制技术中普遍应用的滤波器。
低通滤波器主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。
如在数字设备中，脉冲信号有丰富的高次谐波，这些高次谐波并不是电路工作所必需的，但它们却是很强的干扰源。
因此在数字电路中，常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作最低频率。
常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，按照电路结构分，有单电容型（C型），单电感型，L型和反Γ型，T型，π型。
低通滤波器的分类
在实际工程中，如何确定使用这些滤波电路中的哪一个，电容、电感的参数怎样确定。
下面的说明解决了这些问题。
①滤波器件的数量越多，滤波器对干扰的衰减量越大，因此需要对干扰抑制量较大时，使用器件较多的电路。
但是滤波器所需用的元件越多，这将带来生产工作和造价的增加。
所以，对于实际设计，应根据具体情况进行全面的考虑。
②滤波器中的电容应该与高阻抗的电路对接，电感应该与低阻抗的电路对接，所谓电路的阻抗高低，可以以50欧姆为参考值。
需要注意的是，电路的阻抗在不同的频率上是不同的，并且还随着电路的工作状态变化。
③电容或电感的数值越大，滤波器的截止频率（3dB衰减）越低。
由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。
其基本原理有三种:
①利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）；
②利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；
③利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。
（2）高通滤波器
高通滤波器用于干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。
（3）带通滤波器
带通滤波器用于信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通信信号通过。
（4）带阻滤波器
带阻滤波器用于干扰频率带宽较窄，而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。
3．滤波器的设计出发点
设计滤波器应从插入损耗入手,插入损耗是衡量滤波器效能的一个参数。
一个良好的滤波器的插入损耗在通带内应该比较低，而在止带内应该比较高。
理想的滤波器的插入损耗在通带内应该等于零，而在止带内应该是无穷大。
这种设计方法的特点是:
根据所提出的技术要求,决定插入损耗与频率的函数关系,然后根据这个函数关系,应用网络理论综合出具体的电路结构。
这种方法根据要求推求电路,设计准确,而且设计时已经考虑到外接负载的影响,无需经过多次试探的手续。
它的缺点是需要用到比较难深的网络理论。
但是,这个缺点是可以弥补的,因为只要一当把满足各种要求的母型滤波器设计出来以后,后来的设计手续变成了简单的查表读图和应用浅近数学方法换算数据,
4．滤波器的选择
根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求，适当选择滤波器，一般考虑：
其一，要求电磁干扰滤波器在相应工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性，若一种滤波器衰减量不能满足要求时，则可采用多级联，可以获得比单级更高的衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好衰减特性。
其二，要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求，如果要抑制的频率和有用信号频率非常接近时，则需要频率特性非常陡峭的滤波器，才能满足把抑制的干扰频率滤掉，只允许通过有用频率信号的要求。
其三，在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接干扰源阻抗和负载阻抗相失配，如果负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗应为低阻；如果电源或干扰源阻抗是低阻抗，则滤波器的输入阻抗应为高阻；如果电源阻抗或干扰源阻抗是未知的或者是在一个很大的范围内变化，很难得到稳定的滤波特性，为了获得滤波器具有良好的比较稳定的滤波特性，可以在滤波器输入和输出端，同时并接一个固定电阻。
其四，滤波器必须具有一定耐压能力，要根据电源和干扰源的额定电压来选择滤波器，使它具有足够高的额定电压，以保证在所有预期工作的条件下都能可靠地工作，能够经受输入瞬时高压的冲击。
其五，滤波器允许通过应与电路中连续运行的额定电流一致。
额定电流高了，会加大滤波器的体积和重量；额定电流低了，又会降低滤波器的可靠性，其六，滤波器应具有足够的机械强度，结构简单、重量轻、体积小、安装方便、安全可靠。
电磁干扰滤波器（EMIFilter）是近年来被推广应用的一种新型组合器件。
它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。
电磁干扰滤波器的作用就是防止电磁干扰电流在导线上传输。
在工程上，采用干扰滤波器是要解决四种形式的问题：
①电路之间发生的相互干扰问题是由于干扰从一个电路通过导线传到另一个电路中，使用滤波器切断这种传输路径，解决电路相互干扰的问题。
②设备的传导发射或抗扰度不符合要求，在造成问题的电缆上安装滤波器，使能符合要求。
③电路或设备需要屏蔽或隔离，穿过屏蔽体（隔离体）的导线（电缆）造成了电磁能量泄漏，在穿过屏蔽体（隔离体）的导线上安装滤波器，保持屏蔽体（隔离体）的完整性。
④电路或设备由于有外拖的电缆（相当于天线），造成对辐射干扰敏感或产生过强的辐射，在电缆与电路（或设备）的接口处安装滤波器。
在上面四种形式的问题中，后面两种形式的问题和应用却是一般都忽略的。
在进行新产品的设计或解决产品中的电磁兼容问题时，一定要记住两点：
①屏蔽只有配上滤波后才完整，除非屏蔽体上没有穿过屏蔽体的导线，否则所有穿过屏蔽体的导线要考虑滤波或对导线进行屏蔽。
而对导线进行屏蔽（使用屏蔽电缆）时，一定要注意屏蔽层的端接。
②当电缆不是屏蔽电缆时，必须考虑滤波问题才能避免电磁兼容问题。
（1）构造原理
电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz～30MHz，最高可达150MHz。
电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。
电磁干扰滤波器必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰。
（2）基本电路
电磁干扰滤波器的基本电路如图8-21所示。
EMI滤波器的基本电路
该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。
电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1～C4。
L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。
C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01μF～0.47μF,主要用来滤除串模干扰。
C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。
C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1μF。
为减小漏电流，电容量不得超过0.1μF，并且电容器中点应与大地接通。
C1～C4的耐压值均为630VDC或250VAC。
（3）电磁干扰滤波器的应用
根据电路特性，选择适当的滤波器可以得到令人十分满意的抗EMI效果，特别适用于抑制数字电子设备及高速数据总线产生的噪声。
EMI滤波器按构成元件可分为电感器、电容器、LC复合型滤波器和电容性可变电阻器4种；按构成元件材料及生产工艺的不同，又可分为陶瓷型、石英晶体型、介质型和声表面波型EMI滤波器；按具体用途又可分为电源线路用和信号线路用EMI滤波器两大类。
有代表性的几种EMI滤波器
滤波器名称
典型特点及应用
无磁珠三端电容器
无两端电容器的剩余电感，可除去VHF噪声，适合抑制高阻抗电路中的噪声
磁珠电感器
能有效除去VHF、UHF噪声，可抽头自动插入，适合低阻抗接地等电路，除噪效果最佳
加磁珠的三端电容器
三端电容器加磁珠电感元件的T型EMI器件，能有效除去VHF中的噪声，适用于低阻抗电路
π型滤波器组
使用磁珠电感元件和穿心电容器的π型滤波器阵，有二连和三连，适合高阻抗电路
四端结构型直流电源EMI滤波器
计算机直流电源用大容量四端电容器与穿心电容器、磁珠电感元件组合而成的宽带器件，可高效除去电源输出端从450kHz～1GHz的噪声，另对共态噪声也有效
交流电源EMI滤波器
一般由能够同时除去共模和常模两种模噪声的电路网络构成，兼有强的抗扰性和抗机内噪声发生两种功能，适合用于接交流电源的电子设备从低频到高频带范围内的除噪
信号线路EMI滤波器
由于有陡直的衰减特性，特别适合有效信号频率与噪声频率接近的场合，宜用于RGB信号线路和数字电子设备等高速数字信号线路
通常，电快速瞬变脉冲群产生相当强的辐射发射，从而耦合到电缆和机壳线路，对数字电路的危害甚于其对模拟电路的影响。
电源线滤波器可以对电源进行保护。
线—地之间的共模电容是抑制这种瞬态干扰的有效器件，它使干扰旁路到机壳，而远离内部电路。
当这个电容的容量受到泄漏电流的限制而不能太大时，共模扼流圈必须提供更大的保护作用。
这通常要求使用专门的带中心抽头的共模扼流圈，中心抽头通过一只电容（容量由泄漏电流决定）连接到机壳。
共模扼流圈通常绕在高导磁率铁氧体芯上，其典型电感值为15～20mH。
EMI滤波器使用时应注意以下几个方面:
①电磁干扰滤波器金属屏蔽外壳应可靠接地。
②电磁干扰滤波器输入输出线应尽量远离,并宜选用双绞线。
③电磁干扰滤波器应尽量安装在设备电源进线处。
多台重要设备应分别安装滤波器,不适于合用。
对于噪声的类型（串模、共模），所处的频段，及大小，应合理选用滤波器。
对于强干扰可将几个电源滤波器串起来使用。
④电磁干扰滤波器电源和负载的阻抗均为50Ω。
若实际使用阻抗不符合上述要求,滤波效果会变差。
⑤自制电磁干扰滤波滤波时,必须注意产品结构及元件的选用和布置,元件之间的引线应短捷,不然会影响高频滤波特性使插入损耗降低。
电容器是电路中最基本的元件之一，利用电容滤除电路上的高频骚扰和对电源解耦是所有电路设计人员都熟悉的。
但是常常由于不了解电容的基本特性而达不到预期滤波效果的事情时有发生。
1．电容引线的作用
在用电容抑制电磁骚扰时，最容易忽视的问题就是电容引线对滤波效果的影响。
在实际工程中，很多人发现将电容并联在信号线与地线之间起到对高频噪声的旁路作用这种方法并不能起到预期滤除噪声的效果，出现这种情况的一个原因是忽略了电容引线对旁路效果的影响。
实际电容器的电路模型如图8-22所示，它是由等效电感（ESL）、电容和等效电阻（ESR）构成的串联网络。
实际电容器的等效电路
在频率较低的时候，呈现电容特性，在谐振点以上，由于ESL的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加，这时电容呈现电感的阻抗特性。
在谐振点以上，由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作用减弱，甚至消失。
在实际工程中，要使电容器的引线尽量短。
许多人认为电容器的容值越大，滤波效果越好，这是一种误解。
电容越大对低频干扰的旁路效果虽然好，但是由于电容在较低的频率发生了谐振，阻抗开始随频率的升高而增加，因此对高频噪声的旁路效果变差。
尽管从滤除高频噪声的角度看，电容的谐振是不希望的，但是电容的谐振并不是总是有害的。
当要滤除的噪声频率确定时，可以通过调整电容的容量，使谐振点刚好落在骚扰频率上。
2．温度的影响
由于电容器中的介质参数受到温度变化的影响，因此电容器的电容值也随着温度变化。
不同的介质随着温度变化的规律不同，有些电容器的容量当温度升高时会减小70%以上，常用的滤波电容为瓷介质电容
许多人在选用电容器时，片面追求电容器的体积小，这种电容器的介质虽然具有较高的介质常数，但温度稳定性很差，这会导致设备的温度特性变差。
这在选用电容器时要特别注意，尤其是在军用设备中。
3．电压的影响
电容器的电容量不仅随着温度变化，还会随着工作电压变化，这一点在实际工程必须注意。
了解了这个特性，在选用电容时要在电压或电容量上留出余量，否则在额定工作电压状态下，滤波器会达不到预期的效果。
4．穿心电容的使用
在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1GHz。
对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。
穿心电容的插入损耗特性更接近理想状态。
各种电容插入损耗的比较
穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。
但是在使用穿心电容时，要注意的问题是安装问题。
穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击，许多电容在焊接过程中发生损坏。
特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容拆下时，会造成邻近其它电容的损坏。
解决电路模块相互骚扰的方法之一是用金属隔离舱将不同性质的电路隔离开。
但是所有穿过隔离舱的导线要通过穿心电容，否则会造成隔离失效。
当不同电路模块之间有大量的联线时，在隔离舱上安装大量的穿心电容是十分困难的事情。
为了解决这个问题，国外许多厂商开发了“滤波阵列板”（如图8-24所示），这是用特殊工艺事先将穿心电容焊接在一块金属板构成的器件，使用滤波阵列板能够轻而易举地解决大量导线穿过金属面板的问题。
但是这种滤波阵列板的价格往往较高。
滤波阵列板用于电路隔离
1.电源滤波器
电源滤波器是低通滤波器的一种，是由电容、电感等无源元件构成的双向网络，利用阻抗失配原理抑制电源线上的干扰。
其滤波范围通常在0.015-50MHz之间,对此频带范围内的干扰信号提供最高可达100dB以上衰减。
电源滤波器的高频特性差的主要原因有两个，一个是内部寄生参数造成的空间耦合，另一个是滤波器件的不理想性。
因此，改善高频特性的方法也是从这两个方面着手。
滤波器的连线要按照电路结构向一个方向布置，在空间允许的条件下，电感与电容之间保持一定的距离，必要时，可设置一些隔离板，减小空间耦合。
电容的引线要尽量短。
使用三端电容可以明显改善高频滤波效果。
但是要注意三端电容的正确使用方法。
即，要使接地线尽量短，而其它两根线的长短对效果几乎没有影响。
必要时可以使用穿心电容，这时，滤波器本身的性能可以维持到1GHz以上。
滤波器件是否理想与电源滤波器主要技术参数有关。
电源滤波器主要技术参数包括：
插入损耗、额定电流、泄漏电流、绝缘电阻和试验电压。
特别提示：
当设备的辐射发射在某个频率上不满足标准的要求时，不要忘记检查电源线在这个频率上的共模传导发射，辐射发射很可能是由这个共模发射电流引起的。
（1）电源滤波器的选用
滤波器的噪声衰减性能与源和负载的阻抗关系很大，无疑是选择滤波器时考虑的首要因素。
在较高频段，滤波器的源端口和负载端口可认为是“阻抗失配网络”。
失配越大，滤波器衰减电磁干扰的效果越好。
在大多数情况下，电源线表现为低阻抗，则滤波器的输入端应为高阻抗。
另一方面，设备既可能为高阻抗，也可能为低阻抗。
对于线性电源这样的高阻抗设备，为获得阻抗失配，应使用负载端为低阻抗或并联电容的滤波器。
对于开关电源和同步电机这样的低阻抗设备，应使用负载端为高阻抗或串联电感的滤波器。
由于电源和噪声源阻抗的不同，滤波器衰减噪声的效果与插入损耗曲线可能出入很大。
滤波器抑制噪声的效果是否满足要求最终还要由实际的测试来确定。
根据设备的额定工作电压、电流和频率来确定滤波器的类型。
一般按设备额定电流的1.2倍来确定滤波器的额定电流。
根据设备最大泄露电流的允许值来选择滤波器，尤其对一些医疗保健设备更是如此。
使用电源滤波器的注意事项：
①安装位置应靠近电源线入口处，尽可能滤除沿着电源线侵入和窜出的电磁干扰。
②确保滤波器外壳与设备机箱良好电接触，并接好地线。
③滤波器的输入输出线应拉开距离，切忌并行走线，以免降低滤波器的电性能。
④滤波器的耐压测试次数不能过多，每次测试持续时间不能过长。
否则会降低滤波器的寿命，甚至损坏滤波器。
（3）实际电源滤波器与理想滤波器的差距
理想的电源滤波器是低通滤波器，但实际的电源滤波器通常是带阻滤波器。
造成这种差别的原因是电容器和电感器的非理想性。
即使滤波器的电路结构完全相同，由于器件的特性不同、器件的安装方式的不同、内部结构的不同，它们的高频性能会差很多。
电源滤波器的高频特性是十分重要的。
滤波器的电路结构仅决定了滤波器的低频特性。
要想提高滤波器的高频性能，生产时需要从许多方面注意制作工艺，如选用电感小的电容器、制作寄生电容小的电感、焊接时电容器的引线尽量短、在内部采取适当的隔离等。
（4）正确安装方法
①为了滤波器的安全可靠工作（散热和滤波效果），除滤波器一定要安装在设备的机架或机壳上外，滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，并尽量缩短滤波器的接地线。
若接地点不在一处，那么滤波器的泄漏电流和噪声电流在流经两接地点的途径时，会将噪声引入设备内的其他部分。
其次，滤波器的接地线会引入感抗，它能导致滤波器高频衰减特性的变坏。
所以，金属外壳的滤波器要直接和设备机壳连接。
如外壳喷过漆，则必须刮去漆皮；若金属外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳滤波器时，它与设备机壳的接地线尽可能的短。
②滤波器要安装在设备电源线输入端，连线要尽量短；设备内部电源要安装在滤波器的输出端。
若滤波器在设备内的输入线长了，在高频端输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分。
若设备内部电源安装在滤波器的输入端，由于连线过长，也会导致同样的结果。
③确保滤波器输入线和输出线分离。
若滤波器输入、输入线捆扎在一起或相互安装过近，那么由于它们之间的耦合，可能使滤波器的高频衰减降低。
若输入、输出线必须接近，那么都必须采用双绞线或屏蔽线。
④要将噪声滤波器正确地连接到设备内部的每一单元。
若带有单独电源的若干单元安装在一个机壳内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。
每一单元必须连接各自的噪声滤波器，否则在机壳内，这些单元中的每一单元的噪声都会传导给其他单元。
2.馈通型滤波器
馈通型滤波器也是一种低通滤波器，由于无引线所产生的分布电容、分布电感，因而尤其适用于抑制高频传导干扰；通过贯穿屏蔽壁的固定方式，亦可有效抑制辐射干扰，其抑制干扰频率范围可达1GHz以上。
馈通型滤波器作为抑制高频干扰的重要滤波器件，已广泛应用于小电流直流电源、输入/输出接口、互连电缆、高速信号线上的干扰抑制。
当在高频段要获得更好的滤波效果时，必须与屏蔽技术相结合，其安装方式如图8-25所示。
馈通滤波器的安装
馈通型滤波器从电路形式上分为C型（穿心电容）、LC型、π型和T型，可根据端接原则选用。
应以电路有效工作频率低于滤波器截止频率为选用馈通滤波器的首要原则。
在馈通型滤波器构成中，由多层陶瓷技术生产的电容是决定滤波性能的关键器件。
目前，生产多层陶瓷电容器的介质基本上采用三类，即COG（超稳定）、X7R（稳定）和Z5U、Y5V（一般用途）。
不同的介质随温度、电压、频率和时间（老化）、介质常数的大小等环境因素的变化而差异较大，其中介质的电压特性、温度特性对滤波效果的影响尤为突出。
馈通型滤波器使用注意事项：
①必须安装在金属板上，并在一周接地，
②最好焊接，螺纹安装时要使用带齿垫片
③焊接时间不能过长
④上紧螺纹时扭矩不能过大
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