濾波器選擇需注意的十個(gè)問(wèn)題

近期接觸幾位技術(shù)工程師朋友在選用濾波器，發(fā)現(xiàn)了不少有意思的問(wèn)題，才發(fā)現(xiàn)波平浪靜處水最險(xiǎn)，簡(jiǎn)曰“燈下黑”。于是才斗膽誕生此文。

1、如果未經(jīng)過(guò)對(duì)儀器的EMI、EMS指標(biāo)測(cè)試就選定了濾波器，基本上屬于“盲人騎瞎馬、夜半臨深池”的主兒；

2、如果機(jī)器上選擇的是一個(gè)市面上買(mǎi)來(lái)的通用濾波器，這個(gè)濾波器基本上是可以不加的；

3、濾波器8分定制、2分通用才算比較靠譜。

下此結(jié)論的原因是因?yàn)樽罱龅降暮脦灼鹗虑?，都加了濾波器，但傳導(dǎo)就是不過(guò)，最后還是根據(jù)測(cè)試結(jié)果給設(shè)計(jì)了個(gè)濾波器樣品，一裝上ok才算pass，其實(shí)設(shè)計(jì)本身也并不復(fù)雜，不過(guò)多加了一級(jí)差模電容和差模電感、或調(diào)整了一下濾波器電感電容的參數(shù)而已。通用型的IEC插座濾波器，里面的空間很小，一般只能放得下2個(gè)共模電容、一個(gè)差模電容和一個(gè)共模電感，靠這點(diǎn)東西就能放之四海而皆準(zhǔn)，難度莫大焉。

那濾波器應(yīng)如何選型？

第一種是預(yù)知曉（起碼是估計(jì)）需濾掉的雜波頻點(diǎn)或頻段和強(qiáng)度，然后提出對(duì)濾波頻段的衰減要求，將此要求提給廠家，由廠家給您設(shè)計(jì)一款適用的濾波器。

第二種是先設(shè)計(jì)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)空間上預(yù)留出裝濾波器的位置，等產(chǎn)品裝好后進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果確定濾波器的濾除頻點(diǎn)和衰減特性。

除此二者外，基本上沒(méi)有其他的方法能有效地選好濾波器。

案例1：

如低頻無(wú)極燈產(chǎn)品，整流器開(kāi)關(guān)頻率220KHz，此頻率是干擾的基頻，其他干擾頻率基本都是此頻點(diǎn)的高次諧波，在起初設(shè)計(jì)時(shí)，就可以根據(jù)預(yù)估給出濾波器的要求來(lái)，220KHz頻點(diǎn)時(shí)，共模插損ILCM=60dB 差模插損ILDM=60dB，根據(jù)這個(gè)要求，濾波器廠家就可以設(shè)計(jì)出濾波器來(lái)。

如手術(shù)室用監(jiān)護(hù)儀，與手術(shù)刀在共同的環(huán)境下使用，手術(shù)刀的頻率是500KHz，可以根據(jù)預(yù)估給出對(duì)濾波器的要求，500KHz頻點(diǎn)時(shí)，共模插損ILCM=70dB 差模插損ILDM=70dB，根據(jù)這個(gè)要求，濾波器廠家就可以設(shè)計(jì)出濾波器來(lái)。

插損這個(gè)指標(biāo)，行規(guī)是在50Ω的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下測(cè)得的，但實(shí)際電路中，阻抗匹配的不可能這樣標(biāo)準(zhǔn)，因此，插損的指標(biāo)在使用會(huì)打些折扣。所以預(yù)估時(shí)要求指標(biāo)要高些。

案例2：某產(chǎn)品未加濾波器時(shí)的測(cè)試結(jié)果，畫(huà)黑圈的是兩個(gè)主要的超標(biāo)頻點(diǎn)，最左側(cè)的點(diǎn)是213KHz，超標(biāo)7dB左右，右面一個(gè)是它的高次諧波，可以不必理它，213K濾掉了，那個(gè)也就跟著消除了。

作為電子設(shè)計(jì)工程師，能預(yù)估出、或能測(cè)出預(yù)定的干擾頻率和提出擬衰減的指標(biāo)來(lái)，這就夠了。

濾波器有多種，做儀器設(shè)備中常用到的是電源濾波器和信號(hào)濾波器。其他類型的作無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)碾娏V波器、微波頻段的濾波器不是這里討論的內(nèi)容。

濾波器的選擇需要考慮以下多點(diǎn)：

1.電壓

這個(gè)電壓值要求是一個(gè)范圍，是穩(wěn)態(tài)電壓±紋波電壓的綜合。

2.電流

電流的指標(biāo)很關(guān)鍵，它決定了濾波器內(nèi)部的電感的繞組銅線和引出線的線徑。如果選細(xì)了，細(xì)導(dǎo)線上跑大電流，如小馬拉大車(chē)，會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱以至燒毀。這個(gè)電流也是一個(gè)范圍，穩(wěn)態(tài)電流+波動(dòng)電流的最大值。

3.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求

既然是濾波器，為的就是濾掉一些不期望的頻段，而濾除的效果一般是由EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的直觀結(jié)果來(lái)確定。尤其是電源濾波器，最好能確定用此濾波器的產(chǎn)品需要通過(guò)的是哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的不同，在選擇時(shí)也有其特定的測(cè)試頻段要求。

電源濾波器的主要針對(duì)指標(biāo)是傳導(dǎo)發(fā)射CE和傳導(dǎo)抗擾CS，信號(hào)濾波器的則主要看EMC標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)不期望輸入頻段和不期望輸出頻段的要求了。

比如無(wú)極燈用的整流器，本身就是一個(gè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，會(huì)有對(duì)外的發(fā)射，EMC測(cè)試時(shí)候會(huì)重點(diǎn)檢查其開(kāi)關(guān)頻率以及其高次諧波成分的傳導(dǎo)干擾，濾波器就需要針對(duì)這些特定頻段或頻點(diǎn)具有足夠的濾除效果。

4.安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求

讀者可能會(huì)覺(jué)得奇怪，選濾波器，說(shuō)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)干啥？這是因?yàn)闉V波器一般用在電源輸入端和板卡的接口處，這些部位都是安規(guī)問(wèn)題的重災(zāi)區(qū)。等于是濾波器一身承擔(dān)了多個(gè)要求。與濾波器有關(guān)的安規(guī)重點(diǎn)是三個(gè)指標(biāo)：絕緣耐壓、漏電流、剩余電壓剩余能量。

絕緣耐壓打LN對(duì)地的絕緣強(qiáng)度，考驗(yàn)的是Y電容的耐壓值，Y電容大了，漏電流就會(huì)大，容易導(dǎo)致安規(guī)要求上的漏電流超標(biāo)，現(xiàn)在有部分廠家設(shè)計(jì)上就采取了輸入端無(wú)Y電容設(shè)計(jì)（如圖）。這樣LN對(duì)G就成了LN通過(guò)L1、Cy1、Cy2、G’對(duì)G了，而G和G’是不連的。如果采用了輸入端接Y電容的方式，即將Cy1和Cy2放到前面R的左面來(lái)，則測(cè)試時(shí)須注意絕緣耐壓的設(shè)定和漏電流的大小是正相關(guān)的，最高不超過(guò)20mA。曾經(jīng)遇到過(guò)差點(diǎn)被退貨說(shuō)濾波器安規(guī)不合格的情況，最后經(jīng)查是1500V時(shí)漏電流設(shè)定為2mA（應(yīng)為5mA），測(cè)試儀器報(bào)警就是正常的了。

另一個(gè)問(wèn)題就是R的選擇，有好多廠家的濾波器沒(méi)裝這個(gè)電阻，在拔掉插頭后，在較短的時(shí)間內(nèi)，去摸電源的插口，如果會(huì)有被電的感覺(jué)，問(wèn)題就出在沒(méi)裝這個(gè)電阻上。這是個(gè)高耐壓、起泄放電作用的功率電阻。

5.濾波器電路結(jié)構(gòu)形式

電路結(jié)構(gòu)形式和期間的參數(shù)選擇是濾波器的核心，但就是在這一部分，應(yīng)用工程師的選擇常常兩眼一摸黑著選，雖然大多時(shí)候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的設(shè)計(jì)方式，浪費(fèi)資源、埋留隱患的可能性就大大增加。這在需要精益設(shè)計(jì)、從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的電子制造業(yè)，從初級(jí)工程師向資深工程師的成長(zhǎng)期望上來(lái)說(shuō)，都是不合時(shí)宜的。

濾波器的作用是對(duì)通過(guò)其的不同頻率有不同的放大效果，對(duì)通帶內(nèi)頻段的則不衰減，對(duì)通帶外要抑制的則以幾十個(gè)dB的級(jí)別進(jìn)行衰減，從而達(dá)到過(guò)篩子的目的。但就是濾波器在對(duì)不同頻率的電壓幅值采取不同放大倍數(shù)的時(shí)候，電磁波的相位也在發(fā)生變化，因?yàn)橄辔灰彩呛皖l率有關(guān)的，所以濾波器結(jié)構(gòu)形式的選取，也還是有些學(xué)問(wèn)的。

濾波器結(jié)構(gòu)形式常用的是三種：

a.巴特沃思濾波器：特點(diǎn)是通帶內(nèi)放大倍數(shù)平整，通帶內(nèi)，隨著頻率的變化，濾波器放大倍數(shù)基本維持不變；但缺點(diǎn)是通帶向截止段的過(guò)渡段，過(guò)渡的較為平緩。意思是說(shuō)，敵人和朋友的界限不是很清楚，有一部分朋友也在干著敵人的事情，有一部分?jǐn)橙艘苍趲臀覀儯瑢?duì)這一部分是殺掉還是留在組織里，讓人很糾結(jié)。如果有用頻率和干擾頻率離得很近，這種濾波器的作用就很有問(wèn)題。

b.切比雪夫?yàn)V波器：它可以很好的解決巴特沃思過(guò)渡帶平緩的缺點(diǎn)，在這種形式的濾波器中，過(guò)渡帶很陡峭，即使有用頻率和干擾頻率很近，因?yàn)檫^(guò)渡帶很陡峭，所以其截止頻率點(diǎn)前后兩個(gè)頻段放大倍數(shù)的差別很大，非友即敵，很好區(qū)分，是朋友就沒(méi)干過(guò)對(duì)不起我們的事，是敵人的就沒(méi)干過(guò)對(duì)我們好的事，所以朋友拉入組織優(yōu)厚待遇，是敵人則干凈利落的消滅之。高山之側(cè)必有深谷，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)必然伴隨著一個(gè)缺點(diǎn)，切比雪夫?yàn)V波器的缺點(diǎn)是在通帶頻率的末端部分，放大倍數(shù)會(huì)有較強(qiáng)的波動(dòng)，即在通帶內(nèi)，隨著頻率的變化，放大倍數(shù)雖然比濾除頻段大了很多，但對(duì)通帶內(nèi)的頻率，其放大倍數(shù)并不是保持穩(wěn)定不變的，就是說(shuō)，朋友們的情緒并不穩(wěn)定，也不是所有朋友都一如既往的付出幫助。（僅做舉例說(shuō)明，不要誤解為對(duì)朋友的不滿哈）

c.貝塞爾濾波器：此種濾波器不是很通用，用的較專，因?yàn)樗奶匦允窍辔痪€性。前兩種關(guān)注的是放大倍數(shù)，但如果對(duì)語(yǔ)音信號(hào)，比如歌曲，通帶內(nèi)放大倍數(shù)雖然沒(méi)有變化，但其旋律卻不再悠揚(yáng)。因?yàn)橄辔坏淖兓瘜?dǎo)致歌曲的嘔呀啁咤難為聽(tīng)。此時(shí)，貝塞爾濾波器將會(huì)發(fā)生其作用。

至于選擇哪種濾波器電路結(jié)構(gòu)形式，電路工程師未必去做深入研究，但須知道自己想要的特性，并提供給濾波器廠家，由他們幫您做選擇。

現(xiàn)在的電源濾波器都是低通濾波器，通過(guò)的都是工頻50Hz或60Hz，這是有用頻率，其他的全是無(wú)用的了，所以用截止頻率在1KHz以上的就綽綽有余，因此，盲人騎瞎馬似的隨便選濾波器，很多時(shí)候也沒(méi)出問(wèn)題。所以對(duì)電源濾波器的選取在工藝、安規(guī)上就要多關(guān)注了。但在有特定輸出或輸入的場(chǎng)合，電源濾波器的選擇就要謹(jǐn)慎了。比如醫(yī)療手術(shù)時(shí)的電刀產(chǎn)品，其工作頻率是500KHz，它本身會(huì)對(duì)網(wǎng)電源造成干擾，所以電刀的對(duì)外傳導(dǎo)干擾需要抑制；同時(shí)，與電刀共用電源的設(shè)備也要警惕，其500KHz也可能會(huì)對(duì)您產(chǎn)生干擾。

6.插損曲線

濾波器的插損測(cè)量當(dāng)不得真。舉例來(lái)說(shuō)，如果我們發(fā)現(xiàn)100KHz超標(biāo)13dB，選擇了一款濾波器，從插損曲線上看出其在100KHz時(shí)的插損是20dB，覺(jué)得此濾波器用上去就肯定就沒(méi)問(wèn)題，那就錯(cuò)了，因?yàn)閺S家的插損曲線都是在50Ω-50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗下測(cè)得，實(shí)際上的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，基本可以肯定不是如此標(biāo)準(zhǔn)的源阻抗和負(fù)載阻抗特性，所以濾波器的衰減效果會(huì)大打折扣，因此，選擇的時(shí)候?qū)M抑制的頻率點(diǎn)必須至少留出20dB的余量，如上例就需選擇100KHz時(shí)插損不低于33dB的濾波器。

另外插損分共模插損和差模插損，一般對(duì)30MHz以上的干擾，選擇共模插損滿足上面要求的濾波器，10MHz以下的干擾選擇差模插損滿足要求的濾波器，對(duì)上例100KHz，選擇差模插損33dB的濾波器。

7.濾波器的安裝形式

這個(gè)問(wèn)題好理解，一般有板式（有可焊插針引腳）、螺絲固定安裝、IEC標(biāo)準(zhǔn)（帶單相220V三針輸入）、帶開(kāi)關(guān)的IEC，這個(gè)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)功能要求選擇即可。

8.安裝工藝規(guī)范

濾波器的安裝是僅次于電路結(jié)構(gòu)形式和組成器件指標(biāo)的技術(shù)要素。主要體現(xiàn)在濾波器的位置、接地的措施。位置要求靠近輸入或輸出端，為的避免輸入端輸出端線纜上的高頻干擾輻射出來(lái)影響到其他電路；輸入線輸出線不得并行走線，不得靠近走線，以免相互串?dāng)_造成該干凈的干凈不了；濾波器課題是金屬殼體，接地要求面接地而不是線接地，須保證整個(gè)面與地接觸良好，不能僅靠固定引腳的螺絲或上面引出的接地導(dǎo)線來(lái)接地，導(dǎo)線接地的引線電感量大，高頻接地阻抗偏高導(dǎo)致高頻接地不良，濾波效果不好；接地線纜不宜用擰接方式，必須選用焊接方式。

9.濾波器的Q值

Q值對(duì)實(shí)際濾波效果影響倒不大，但Q值代表的是損耗 / 輸入功率，Q值越高，說(shuō)明損耗越大，意指會(huì)有部分能量在濾波器的電感上被損耗掉。在一般的低功率電源濾波器和信號(hào)濾波器上，此問(wèn)題不會(huì)太突出。但在較大功率的濾波器上，這個(gè)損耗不可小視，一是會(huì)引起發(fā)熱，發(fā)熱后的電容會(huì)引起較大的負(fù)面影響，漏電流、耐壓、容值等都會(huì)隨溫度變化而變化；二是耗電量大會(huì)導(dǎo)致無(wú)謂的電損失。

10.其他

另外的內(nèi)容就是濾波器的內(nèi)部了，作為用戶是看不到的，灌封膠的灌封均勻致密程度、器件和金屬之間絕緣紙的厚度，這些用戶只能通過(guò)訊問(wèn)的方式了解了，至于生產(chǎn)廠家說(shuō)不說(shuō)實(shí)話，全憑天命。