滤波技术
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滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰的措施之一。滤波技术就是要明确电路工作频率和所要抑制的干扰信号频率，使系统电路工作的信号通过，干扰信号被阻止在系统之外。电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上的其他设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗。电源滤波器有的与接插件直接结合在一起，有的采用接线方式，如图1所示。一般的电源滤波器的原理图如图2所示，它是一个二端口网络，具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其他频率进行阻挡。电源线中的干扰一般分为两种：一种是共模干扰，即在相线与地线间、中线与地线间存在的干扰。共模干扰在相线与中线中同时存在，大小相等，相位相同。另一种是差模干扰，即在相线与中线间存在的干扰。差模干扰在相线与中线中同时存在，大小相等，相位相反。由于电源线中往往同时存在上述两种干扰，因此一般的电源滤波器由共模滤波电路（L1、L2和Cy）和差模滤波电路（L1和L2的差值与Cx）综合构成。共模扼流圈的绕制方法如图3所示。电源滤波器的前端是一个差模电容，用来抑制差模干扰，电感L1和电感L2同时绕在一个磁芯上，这两个电感在电流的通过上是互补的，用来衰减共模干扰，对电源线上的共模干扰进行抑制。电容Cx用来衰减差模干扰，电容Cy用来衰减共模干扰。Cy必须有较高的耐压值，Cy的容值还受到滤波器所允许的漏电流大小的限制，一般Cy选用2.2nF/2000V的高压瓷片电容，Cx选用100nF/1000V的瓷片电容。电源滤波器有时在L、N之间并联一个大功率电阻，用来配合前端电容对差模干扰进行抑制，电阻一般选择1MΩ/1W，如图4所示。电源滤波器的设计应遵循滤波器一般安装在机柜底部交流电线入口处的原则，电源进线须经过熔断器和电源开关等器件后才能接到滤波器，该段电源线应采取屏蔽措施。滤波器的金属外壳最好直接安装在靠近接地端子的机柜上，滤波器的输入、输出线宜采用双绞线并且应分开布置，避免平行走线、捆扎在一起等。一般的电源滤波器不能有效地抑制快速瞬变脉冲干扰，抑制瞬态脉冲干扰的主要方法是采用吸收式滤波器。吸收式滤波器由有损耗器件构成，在阻带内吸收噪声的能量并转化为热损耗，从而起到滤波效果，常用的为铁氧体吸收滤波器。吸收式滤波器的设计应遵循电缆或导线尽量与铁氧体磁环内径紧密接触的原则；导线以相同的方向和圈数绕在磁环上，绕的圈数越多，滤波效果越好，一般绕至3圈就可以达到比较好的滤波效果，如图5所示。若磁环与电源滤波器串联使用构成EMC滤波器，则滤波效果更佳；在用磁环抑制直流电源和信号线共模噪声电流时，最好将同回路正、负电源线或正、负信号线都穿过磁环；磁环比较适用于低阻抗电路。在基本电源滤波电路的基础上增加一级共模和差模滤波，如图6所示，滤波器的共模、差模干扰抑制能力都将有较大的提高。电源中存在脉冲串干扰、雷击浪涌干扰，采用以上抑制方法，效果可以说是微乎其微，有效抑制这些干扰的方法就是采用隔离变压器。隔离变压器是一种使用非常广泛的电源线抗干扰设施，它最基本的作用是实现电路与电路之间的电气隔离，从而解决地线环路电流带来的设备与设备之间的干扰，同时，隔离变压器对于抗共模干扰也有一定的作用。隔离变压器对瞬变脉冲串和雷击浪涌干扰能起到很好的抑制作用。隔离变压器常用的类型有简单隔离变压器、带屏蔽层的隔离变压器、超级隔离变压器。采用隔离变压器应遵循的原则是一般选用带屏蔽的隔离变压器，特殊场合才选用超级隔离变压器；屏蔽层的连接线必须粗、短、直并且接地；初级进线与次级出线要分开布置，避免平行走线、捆在一起，次级出线最好选用双绞线；隔离变压器对雷击浪涌高压脉冲具有良好的抑制作用，交流电源变压器加上浪涌抑制器件后就变成防雷变压器，如图7所示，与气体放电管、TVS等配合使用，可以有效抑制快速瞬变脉冲串干扰。图中避雷器即气体放电管，变压器带有屏蔽层，次级绕组的电容器可进一步抑制浪涌中的残留共模噪声。电源滤波器电路可以分两级设计，以抑制电路中的尖峰电压。第二级滤波用的电感只要很小的电感量，通常只需要在磁芯上绕几匝即可；同样，第二级用的电容器也是小容量的低电感电容器，如瓷介电容器等。电源滤波器实现电源线和负载之间的有效隔离。如果电源滤波器的安装方式不合理，就会使滤波性能无法有效发挥，甚至起到反作用。只有合理地安装滤波器, 才能获得良好的滤波效果。电源滤波器的安装使用注意事项有：（1）滤波器的输入和输出线必须分开，应尽量远离，防止输入端与输出端的线路耦合，以防传导干扰耦合而降低滤波效果，降低滤波特性，通常利用隔板或底盘来固定滤波器。若不能实施隔离方法，则采用屏蔽引线。同时，应避免已滤波的导线与未经滤波的导线之间的重新耦合。（2）为了保证电源滤波器有好的散热和滤波效果并且工作安全可靠，电源滤波器要安装在设备的金属外壳上，其接地线应尽量短，滤波器与面板之间必须使用电磁密封衬垫，如图8所示。应将滤波器安装在电源入口金属壁上并保持滤波器的屏蔽壳与电源入口金属壁良好接触，滤波器的地线与电源入口金属壁要良好接触。滤波器连接到金属板上, 电子系统外壳既做滤波接地又起到隔离滤波器输入/输出端耦合的作用，如图9所示。以通过方式安装电源滤波器，电源线正好穿过滤波器的盒子。如果不能采用这种方式，则至少要保证电源滤波器与设备机箱外壳之间的电源线尽量短，且最好进行屏蔽。（3）电源滤波器应有可靠的接地，以保障工作安全。电源滤波器与机壳之间要有良好的直接连接, 滤波器接地线要就近接地, 且接地线要粗而短, 确保良好接地。（4）设计和选用电源滤波器一定要根据电路的实际情况而定。首先测量传导干扰的电平，再与电磁兼容的标准进行比较，选择对超标的幅值和频带有抑制作用的电源滤波器。应用一般电源滤波器与信号滤波器的不同之一在于阻抗搭配。应用一般信号滤波器时，为使传输的信号损耗小，应尽量使电源阻抗、滤波器阻抗和负载阻抗匹配；相反，应用一般电源滤波器时，为抑制传输的干扰信号，应尽量使电源阻抗、滤波器阻抗和负载阻抗不匹配。针对实际电路的电源阻抗和负载阻抗来选择不同网络结构和参数的电源滤波器，才能获得较好的抑制干扰信号传输的效果。（5）滤波器安装在屏蔽体上时，进、出线必须在屏蔽体的两侧，即从屏蔽体外连接输入线到滤波器上，从屏蔽体内引出输出线。信号传输线常采用绝缘隔离、阻抗匹配、平衡传输、屏蔽与接地、合理布线等措施来抑制干扰，当采用这些方法无法奏效时，就要用到另外一种处理措施——滤波。滤波是信号线抗干扰的另一重要措施。信号线包括模拟信号线和数字信号线。信号滤波器有板上滤波器和连接器内藏滤波器两种。板上滤波器用于线路板上，通常安装在信号输出端，连接器内藏滤波器用于设备之间的接口电缆上。信号滤波技术最有效的一种方式就是隔离，隔离有光电隔离、磁隔离等。光电隔离用得非常广泛，主要用于对数字电路进行隔离，起到滤除干扰的效果。常见的光耦器件有TLP521-1、6N137、TIL113、TIL117等。光耦的原理如图10所示，前端是一个发光二极管，后级是一个接收管，实现前端与后级的光电隔离。隔离的另一种方式是磁隔离，常见的有ADuM1201等。如图11所示，是ADuM1201的引脚定义及内部原理框图。信号滤波还有一个重要的应用就是和防雷一起应用，起到滤除大电压脉冲尖峰、雷电浪涌干扰的作用。如图12所示，防雷器前级为陶瓷气体放电管，后面连接大功率电阻用于延时匹配，后级由二极管桥和TVS组成，前级将雷击电压泄放至100V以内，通过电阻消耗一部分能量，后级将剩余能量进一步泄放。二极管桥和辅助二极管可以分压和泄放正、负极性干扰电压，保证系统正常安全工作。信号滤波防雷器的原理基本大同小异，只是在布局上或者器件上有差异，通过各级的泄放，把雷电信号阻止在电子产品系统之外，达到保护信号设备的目的。
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