關於濾波

名稱:關於濾波
濾波技術是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對付開關電源EMI信號的傳導干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。任何電源線上傳導干擾信號，均可用差模和共模干擾信號來表示。差模干擾在兩導線之間傳輸，屬於對稱性干擾；共模干擾在導線與地(機殼)之間傳輸，屬於非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度孝頻率低、所造成的干擾較小，共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導干擾，把EMI信號控制在有關EMC標準規定的極限電平以下。
除抑制干擾源以外，最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。一般設備的工作頻率約為10～50 kHz。EMC很多標準規定的傳導干擾電平的極限值都是從10 kHz算起。對開關電源產生的高頻段EMI信號，只要選擇相應的去耦電路或網路結構較為簡單的EMI濾波器，就不難滿足符合EMC標準的濾波效果。
瞬態干擾
是指交流電網上出現的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號，其特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態能量大。瞬態干擾會造成單片開關電源輸出電壓的波動；當瞬態電壓疊加在整流濾波后的直流輸入電壓ＶＩ上，使ＶＩ超過內部功率開關管的漏－源擊穿電壓Ｖ（ＢＲ）ＤＳ時，還會損壞ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ晶元，因此必須採用抑制措施。
通常，靜電放電（ESD）和電快速瞬變脈衝群（EFT）對數字電路的危害甚於其對模擬電路的影響。靜電放電在5— 200MHz的頻率範圍內產生強烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經常出現在35MHz— 45MHz之間發生自激振蕩。許多I/O電纜的諧振頻率也通常在這個頻率範圍內，結果，電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。
當電纜暴露在4— 8kV靜電放電環境中時，I/O電纜終端負載上可以測量到的感應電壓可達到600V。這個電壓遠遠超出了典型數字的門限電壓值0.4V。典型的感應脈衝持續時間大約為400納秒。將I/O電纜屏蔽起來，且將其兩端接地，使內部信號引線全部處於屏蔽層內，可以將干擾減小60— 70dB，負載上的感應電壓只有0.3V或更低。
電快速瞬變脈衝群也產生相當強的輻射發射，從而耦合到電纜和機殼線路。電源線濾波器可以對電源進行保護。線—地之間的共模電容是抑制這種瞬態干擾的有效器件，它使干擾旁路到機殼，而遠離內部電路。當這個電容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時，共模扼流圈必須提供更大的保護作用。這通常要求使用專門的帶中心抽頭的共模扼流圈，中心抽頭通過一隻電容（容量由泄漏電流決定）連接到機殼。共模扼流圈通常繞在高導磁率鐵氧體芯上，其典型電感值為15～ 20mH。
傳導的抑制
往往單純採用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護，因為設備或系統上的電纜才是最有效的干擾接收與發射天線。許多設備單台做電磁兼容實驗時都沒有問題，但當兩台設備連接起來以後，就不滿足電磁兼容的要求了，這就是電纜起了接收和輻射天線的作用。唯一的措施就是加濾波器，切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同夠成完善的電磁干擾防護，無論是抑制干擾源、消除耦合或提高接收電路的抗能力，都可以採用濾波技術。針對不同的干擾，應採取不同的抑制技術，由簡單的線路清理，至單個元件的干擾抑制器、濾波器和變壓器，再至比較複雜的穩壓器和凈化電源，以及價格昂貴而性能完善的不間斷電源，下面分別作簡要敘述。
專用線路
只要通過對供電線路的簡單清理就可以取得一定的干擾抑制效果。如在三相供電線路中認定一相作為干擾敏感設備的供電電源；以另一相作為外部設備的供電電源；再以一相作為常用測試儀器或其他輔助設備的供電電源。這樣的處理可避免設備間的一些相互干擾，也有利於三相平衡。值得一提的是在現代電子設備系統中，由於配電線路中非線性負載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而是疊加，因此過於纖細的中線會造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時過細的中線還會造成中線過熱。
瞬變干擾抑制器
屬瞬變干擾抑制器的有氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極體和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極體的工作有點象普通的穩壓管，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉移型干擾吸收器件（以氣體放電管為例，當出現在放電管兩端的電壓超過放電管的著火電壓時，管內的氣體發生電離，在兩電極間產生電唬由於電弧的壓降很低，使大部分瞬變能量得以轉移，從而保護設備免遭瞬變電壓破壞）。瞬變干擾抑制器與被保護設備並聯使用。
氣體放電管
氣體放電管也稱避雷管，目前常用於程式控制交換機上。避雷管具有很強的浪涌吸收能力，很高的絕緣電阻和很小的寄生電容，對正常工作的設備不會帶來任何有害影響。但它對浪涌的起弧響應，與對直流電壓的起弧響應之間存在很大差異。例如90V氣體放電管對直流的起弧電壓就是90V，而對5kV/μs的浪湧起弧電壓最大值可能達到1000V。這表明氣體放電管對浪涌電壓的響應速度較低。故它比較適合作為線路和設備的一次保護。此外，氣體放電管的電壓檔次很少。
金屬氧化物壓敏電阻
由於價廉，壓敏電阻是目前廣泛應用的瞬變干擾吸收器件。描述壓敏電阻性能的主要參數是壓敏電阻的標稱電壓和通流容量即浪涌電流吸收能力。前者是使用者經常易弄混淆的一個參數。壓敏電阻標稱電壓是指在恆流條件下（外徑為7mm以下的壓敏電阻取0.1mA；7mm以上的取1mA）出現在壓敏電阻兩端的電壓降。由於壓敏電阻有較大的動態電阻，在規定形狀的衝擊電流下（通常是8/20μs的標準衝擊電流）出現在壓敏電阻兩端的電壓（亦稱是最大限制電壓）大約是壓敏電阻標稱電壓的1.8～2倍（此值也稱殘壓比）。這就要求使用者在選擇壓敏電阻時事先有所估計，對確有可能遇到較大衝擊電流的場合，應選擇使用外形尺寸較大的器件（壓敏電阻的電流吸收能力正比於器件的通流面積，耐受電壓正比於器件厚度，而吸收能量正比於器件體積）。使用壓敏電阻要注意它的固有電容。根據外形尺寸和標稱電壓的不同，電容量在數千至數百pF之間，這意味著壓敏電阻不適宜在高頻場合下使用，比較適合於在工頻場合，如作為晶閘管和電源進線處作保護用。特別要注意的是，壓敏電阻對瞬變干擾吸收時的高速性能（達ns)級，故安裝壓敏電阻必須注意其引線的感抗作用，過長的引線會引入由於引線電感產生的感應電壓（在示波器上，感應電壓呈尖刺狀）。引線越長，感應電壓也越大。為取得滿意的干擾抑制效果，應盡量縮短其引線。關於壓敏電阻的電壓選擇，要考慮被保護線路可能有的電壓波動（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流電路，還要注意電壓有效值與峰值之間的關係。所以對220V線路，所選壓敏電阻的標稱電壓應當是220×1.4×1.4≈430V。此外，就壓敏電阻的電流吸收能力來說，1kA（對8/20μs的電流波）用在晶閘管保護上，3kA用在電器設備的浪涌吸收上；5kA用在雷擊及電子設備的過壓吸收上；10kA用在雷擊保護上。壓敏電阻的電壓檔次較多，適合作設備的一次或二次保護。 2.1.7硅瞬變電壓吸收二極體（TVS管）硅瞬變電壓吸收二極體具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用於保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產生的瞬變電壓，以及感應雷所產生的過電壓。 TVS管有單方向（單個二極體）和雙方向（兩個背對背連接的二極體）兩種，它們的主要參數是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環境溫度變化導致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的範圍。 TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合於在印刷板上作為邏輯電路、I/O匯流排及數據匯流排的保護。
TVS管在使用中應注意的事項：
·對瞬變電壓的吸收功率（峰值）與瞬變電壓脈衝寬度間的關係。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值），而實際線路中的脈衝寬度則變化莫測，事前要有估計。對寬脈衝應降額使用。
·對小電流負載的保護，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減校這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。
·對重複出現的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩態平均功率是否在安全範圍之內。
·作為半導體器件的TVS管，要注意環境溫度升高時的降額使用問題。
·特別要注意TVS管的引線長短，以及它與被保護線路的相對距離。
·當沒有合適電壓的TVS管供採用時，允許用多個TVS管串聯使用。串聯管的最大電流決定於所採用管中電流吸收能力最小的一個。而峰值吸收功率等於這個電流與串聯管電壓之和的乘積。
·TVS管的結電容是影響它在高速線路中使用的關鍵因素，在這種情況下，一般用一個TVS管與一個快恢復二極體以背對背的方式連接，由於快恢復二極體有較小的結電容，因而二者串聯的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。
·固體放電管固體放電管是一種較新的瞬變干擾吸收器件，具有響應速度較快（10～20ns級）、吸收電流較大、動作電壓穩定和使用壽命長等特點。固體放電管與氣體放電管同屬能量轉移型。當外界干擾低於觸發電壓時，管子呈截止狀。一旦干擾超出觸發電壓時，伏安特性發生轉折，進入負阻區，此時電流極大，而導通電阻極小，使干擾能量得以轉移。隨著干擾減小，通過放電管電流的回落，當放電管的通過電流低於維持電流時，放電管就迅速走出低阻區，而回到高阻態，完成一次放電過程。固體放電管的一個優點是它的短路失效模式（器件失效時，兩電極間呈短路狀），為不少應用場合所必須，已在國內外得到廣泛應用。固體放電管的電壓檔次較少，比較適合於作網路、通信設備，乃至部件一級的保護。