滤波器的分类与选型实战经验总结-电子技术方案|电路图讲解

滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。

滤波器选型

电路设计人员如何确定在哪种场合该选用哪种滤波器呢？本文旨在帮助他们作出这种决定。

　　滤波器的选择看似神秘，但实质上并非如此。不过在很多场合，即使竭尽全力采取以下所述方法来选择，也还是需要实验多个滤波器后才能挑出最合适的一只。

　　那么，为什么要煞费苦心去正确的选择滤波器呢？按这里提供的准则来进行滤波器的筛选，至少可满足滤波器的正确尺寸和类型的要求，因此，试用滤波器仅仅是用一只滤波器替换另一只滤波器，同时检查传导及辐射发射，看哪只滤波器具有最佳的费效比。

　　如果在设计过程中没有足够的耐心去选择滤波器，墨菲法则（好象所有的物理、医疗和财政方面的公式都是从这里派生出来的）表明：最终证明是最合适的滤波器会与产品的其它要求完全不兼容。要么滤波器太大或太重而不能安装在铸塑模机壳内，需要一笔昂贵的重新制造模具的费用，要么需要一种不易实现的安装方法，要么由于滤波器的泄漏电流，将使推向市场的产品存在安全隐患问题。确实，如果没有仔细选择正确型号及类型的滤波器，那么按照墨菲法则，挑选合适的滤波器将增加研发和生产费用，同时也会推迟产品的上市时间。

　　1. 滤波器有关指标的计算

　　通过将产品的发射频谱与相关的电磁兼容标准比较，可以估算用滤波器控制发射所需要的衰减量。对于抗扰性控制，可以通过比较外部电噪声（通常取自有关的电磁兼容抗扰度标准）与产品电子线路的敏感性以及干扰期间希望达到的性能等级来估算一个粗略值。

　　当明确知道一个产品实际的发射或敏感性能时，就可采取精确的计算而不去进行估测。不过，如果不是在一个可控的50Ω阻抗环境中工作，在购买滤波器时，厂家提供的产品指标是靠不住的。

　　2. 阻抗问题

　　滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，将射频电磁波中的大部分能量反射回源处。大多数滤波器的性能是在源和负载阻抗均为50的条件下测得的，这使我们直接联想到极为重要的一点，这就是滤波器的性能在实际情况下不可能达到最佳。

　　考察一个典型的电源线滤波器，它安装在交流电源线与作为电子产品直流电源的交-直流变换器之间。白天，交流电源的阻抗在2～2kΩ间变化，取决于与它连接的负载以及所关心的频率。连接到电子设备的电源线的特征阻抗大约在150Ω，当整流器在电源波形的尖峰附近导通时，相当于短路，而在其它时间，相当于开路。

　　滤波器参数是在50Ω的源和负载阻抗的测试环境下获得的，因为大多数射频测试设备采用50Ω的源、负载及电缆。这种方法获得的滤波器性能参数是最优化的，同时也是最具有误导性的。

　　因为滤波器由电感和电容组成的，因此这是一个谐振电路。其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。事实上，一只价格昂贵且50/50性能优秀的滤波器可能在实际中的性能还不如一只价格较低且50/50性能较差的滤波器好。

　　3. 电源线滤波器

　　图1给出的单级电源线滤波器对源和负载的阻抗都很敏感，当工作在实际的源和负载阻抗条件下时，很容易产生增益，而不是衰减。这种增益通常出现在150kHz～10MHz的频率范围内，幅度可以达到10 ～ 20dB。因此，在产品上安装一个不合适的滤波器后，可能会增加发射强度和/或使敏感性变得更糟。

图1 典型的单级电源线滤波器

　　图2所示的两级或更多级的滤波器，可以使内部接点保持在相对稳定的阻抗上，因此对负载及源的阻抗依赖不是很大，可以提供接近50/50指标的性能。当然，这些滤波器体积更大，价格更高。

图2 典型的两级电源线滤波器

　　为了解决阻抗问题，最好是购买生产厂家同时标明了在“匹配”的50/50测试系统中的指标和在“失配”条件下的指标的产品。失配的数据是在源阻抗为0.1，负载阻抗为100的条件下，和相反的条件下，测得的。一个窍门是用所有这些曲线中的最坏情况形成一条衰减曲线图，并将其作为滤波器的技术指标。当采用这种方法来选择滤波器以满足产品的预期目的时，滤波器的性能通常能够达到希望的效果，甚至更好一些。

　　大多数电源线滤波器采用共模扼流圈和连接在相线间的X电容处理差模干扰。如果滤波器用于解决开关电源、相位角功率控制器、马达驱动器等电路产生的低频高强度干扰问题，则通常需要比X电容所能提供的差模衰减更大的衰减，这时需要采用如图3所示的差模扼流圈。由于磁芯会发生饱和现象，所以很难以较小的体积获得较大的电感量。这些滤波器一般体积比较大而且也比较昂贵。

图3 开关电源转换器上使用的典型滤波器

　大多数电源线滤波器采用Y型电容，这些电容连接在相线与地线之间。为了不超过相关安全标准限定的地线允许泄漏值，这些电容的值大约在几nF左右。一般地，Y电容应连接到噪声干扰较大的导线上（例如，仪表灵敏模拟电路中的电源线，开关电源中的整流器等）。

　　对于医疗设备，特别是与病人身体接触的，要求地线泄漏电流值相当低，因此使用任意一种Y型电容都是不行的。这时采用的滤波器需要更大的电感和/或采用多级级联，因此体积较大，价格较高。（最好是在设备与病人相连的那一端采用电池供电，仅通过光耦或光纤与交流电源供电的设备相连。）

　　在较大的系统里，来自大量Y型小电容的地线泄漏会产生很大的地线电流，这样就会产生地线电压差，从而导致不同设备间的互连电缆上产生“嗡嗡”的交流声和瞬态高电平。现代最佳解决方案是采用等势三维地线搭接，但许多陈旧的设施中不能实现这一点。因此，决定用在大系统里的设备应使用Y电容很小或根本没有Y电容的滤波器。

　　最好是使用满足安全认证的电源线滤波器。这些滤波器的安全性、可靠性、温度范围、额定电压和电流以及恰当的安全标准的应用均业已由厂家认证通过。

　　4. 信号线滤波器

　　如果传导发射或辐射发射由不可避免的信号频谱引起，那么试图使用差模滤波器来减小这些发射并不是办法。不过对所关心的信号频谱范围内的频率，采用共模滤波是可行的，因为有用的信号是差模而非共模。

　　信号线滤波器的技术指标中，一般都忽略了地线噪声。驱动芯片会产生地线跳跃噪声，如果数字印刷电路板的地线面与机壳间的射频搭接不好，便会在所有导线中产生大量的数字0V噪声，因此，外封装上标有低转换速率的驱动芯片仍可能产生高电平的射频噪声。

　　低频模拟信号中使用的滤波器，尤其是当电子电路的灵敏度非常高时，需要采用如电源线滤波器一样的单级或多级电路。然而，在多数情况下，信号是数字化的或高电平模拟信号，对干扰不很敏感，因此可采用R、L、C、RC、LC、T、或π型滤波器，如图4所示。

图4 各种信号线滤波器

　　R和L滤波器的基本工作原理是产生一个高阻抗以反射干扰，但这通常仅能获得几个dB的衰减。当源和负载阻抗都较低时，这种滤波器是最适合的。L滤波器能产生谐振，因此最好由软铁氧体磁性材料做成（参见下述部分）。由于电阻中存在0.2 pF左右的寄生旁路电容，因此R滤波器在高频时会失去滤波效能。

　　C滤波器能产生一个低阻抗来反射干扰，通常用在源和负载阻抗都比较高的场合。通常，C滤波器的性能曲线看起来都是比较理想的，但实际上远不是这样。

　　具有较大R值的RC滤波器是比较理想的，因为它不会产生明显的谐振。但当信号频率在几kHz以上，或传输率在kB/s以上的电路中，高R值（最好是取10k左右）是不适合的。

　　LC、T和π型滤波器可以有更高的衰减值，但当它们连接到非50的源和负载阻抗的环境中时会发生谐振现象。这个问题可以通过在电感上装入铁氧体来解决。铁氧体在低频（有时可达10MHz左右）时呈电感特性，但在较高的频率处，它们失去了电感特性而表现出电阻特性。铁氧体磁珠在100MHz时的有效阻抗超过1k，但直流时的阻抗则小于0.5，因而在无用频率处呈现高阻状态，在有用频率处呈现低阻状态。现在可以采购到型号众多的SMD铁氧体磁珠来满足各种频谱的需要。

　　射频滤波器的一个鲜为人知的特性就是当它不连接到良好的射频参考地时，其效果是很差的。唯一能够作为射频参考地的是PCB上的实心地平面、金属板或金属壳体（“法拉第笼”），理想情况下，在被滤波的最高频率处，它们都不应有大于波长1/100的孔洞（空气中1GHz时3mm，或者在FR4纤维玻璃板中为1.5mm）。

　　滤波器中的电容与射频地之间的连线也应小于波长的1/100，同时还要保证电感很低。这就是说，除非在极低的频率下，否则安全地的绿/黄色导线不能作为滤波器地线。例如，如果装有2.2nF的Y型电容的电源线滤波器通过一根10cm长的绿/黄色导线接地，那么，在20MHz以上的频率时，由于地线电感的影响，其Y型电容将失效。

　　在估计绿/黄色导线地线的搭接性能时，可以假设导线的电感值约为1nH/mm。滤波器唯一正确的连接是将滤波器壳壁直接与射频地参考面或壳体连接起来。当然，只要有直接的射频地线搭接，那么出于安全考虑，装入绿/黄色导线也未尚不可。

　　如果滤波器要安装在PCB板上，其电容必须直接连接到地平面上。如果没有地平面，安装含有电容的滤波器是劳而无功的。如果滤波器安装在一个金属板或屏蔽壳体上，那么它必须是导电连接的，有时甚至有必要在滤波器安装面贴上一圈导电衬垫，以使滤波器壳体与其搭接的金属面间形成无缝隙的射频搭接。

　　军用信号滤波器一般属于C和π型，因为多数常见的军事设备都有一个很结实的、设计完善的射频地（金属浇注机箱）。因此，这种场合使用的滤波器一般不会受到射频地不良所带来的影响。

　　不过，对民用品、商业用品及工业制品来说，射频地的完整性通常是一个严重的问题，因为得处处考虑产品成本。因此，我发现在这种情况下，性能较好的信号线滤波器一般是RC、LC或T型的，将电阻或电感连接到外部导线上。这将使射频参考地线上的射频电流比C或π型滤波器产生的射频电流小得多。

　　如果一条电缆有多束芯线，通常最好的办法是将所有的芯线穿过一个共模扼流圈。如果减小敏感信号之间的串扰十分重要，则可以对芯线中各个信号分别采用共模扼流圈。图5表明用于五芯电缆的五路共模扼流圈的一个例子。表贴共模扼流圈在差不多5mm的正方体壳体内可达八路之多。

　　如果电源线滤波器不允许来自数字电路的900MHz的谐波泄漏到电源线中，这时就应考虑滤波器和屏蔽体的优化配合。这些接近微波频率的谐波会使产品的辐射发射加强。

　　射频滤波器的另一个鲜为人知的特性就是要将滤波器与屏蔽视为一个整体，两者相辅相成。错误的滤波器结构设计或安装方法很容易使产品辐射发射超标。

　　5. 滤波器的结构和安装

　　如果欲在高频获得极佳的滤波性能，那么滤波器很容易由于其PCB走线和/或滤波与未滤波分界面上导线的射频泄漏而使其性能发生降级。许多工程技术人员对滤波器周围的射频泄漏疑惑不解，滤波和未滤波走线及导线必须尽可能地彼此远离，而且没有其他走线或导线穿过附近滤波/未滤波的边界线，通常，对滤波器未滤干净的残余泄漏采用屏蔽技术是非常必要的。

　　如果外部电缆滤波后进入具有地平面的PCB板或用作射频地的一个工业仪表面板，滤波器应安装在电缆进出PCB板或仪表面板的位置上，并且要直接连接到射频地线上。

　　如果外部电缆经滤波后进入屏蔽机柜，滤波器应安装在机柜的壁上，并且要在安装孔的周围一周与柜壁进行导电连接。隔离式滤波器是最好的选择（例如，穿心电容），但一般都比较贵而且难于安装。

　　市场上也可以采购某些型号的滤波连接器，比如D型连接器（通常只有1nF的电容，不过磁珠、T和π型滤波器也是有效的）。

　　就电源线滤波器（通常适用于0-400Hz的频率，且性能基本不变）来说，面板安装的滤波器通常采用IEC插座。将这种金属外壳的带IEC插座的滤波器安装在屏蔽体上，如果滤波器壳体上没有缝隙，并且按图6所示的办法将它四周电气连接到屏蔽金属件上，可在数十兆赫兹的频率范围内获得较好的性能。有些厂商仅一味追求滤波器能否在传导发射测试频率（达到30MHz）范围内正常工作，这种滤波器的成本较低，但使滤波器的屏蔽完整性受到影响，从而使产品不能通过电磁兼容标准中的辐射发射试验。

图5 屏蔽体上电源线滤波器的安装方法

　　在大功率场合中，多数电源线滤波器采用螺钉接线方式，从而使隔离板安装不可能。图5表明镙钉安装的滤波器采用“脏盒”方法，同时用一个外层屏蔽盒将其封装在一个屏蔽的“脏盒”内。即使脏盒中的输入和输出电缆很短而且彼此远离，高频仍然可以泄漏出去，因此需要对某一条电缆或所有电缆套装磁环来解决。

写在最后，做工程师21年，整体感觉是：

1、如果未经过对仪器的EMI、EMS指标测试就选定了滤波器，基本上属于“盲人骑瞎马、夜半临深池”的主儿；

2、如果机器上选择的是一个市面上买来的通用滤波器，这个滤波器基本上是可以不加的； 3、滤波器8分定制、2分通用才算比较靠谱。   下此结论的原因是因为最近遇到的好几起事情，都加了滤波器，但传导就是不过，最后还是根据测试结果给设计了个滤波器样品，一装上ok才算pass，其实设计本身也并不复杂，不过多加了一级差模电容和差模电感、或调整了一下滤波器电感电容的参数而已。通用型的IEC插座滤波器，里面的空间很小，一般只能放得下2个共模电容、一个差模电容和一个共模电感，靠这点东西就能放之四海而皆准，难度莫大焉。   

 那滤波器应如何选型？   第一种是预知晓（起码是估计）需滤掉的杂波频点或频段和强度，然后提出对滤波频段的衰减要求，将此要求提给厂家，由厂家给您设计一款适用的滤波器。   第二种是先设计产品，结构空间上预留出装滤波器的位置，等产品装好后进行测试，根据测试的结果确定滤波器的滤除频点和衰减特性。   除此二者外，基本上没有其他的方法能有效地选好滤波器。                                        

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数字隔离器是电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，使其且具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离的一种芯片。设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。 

隔离器主要是用在隔离高压(危险电路)系统和低压(安全电路)系统之间的电气连接，以保护用户以及电路系统安全，以及隔离敏感电路(比如高精度检测电路)和噪声源(例如大功率开关电源)之间的连接，以减小噪声干扰。

  隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器(磁耦合);三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光检测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

它的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。   多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限，唯一合理的选择是光耦合器。 随着近几年数据传输的速度不断提升，传统的光耦合器也暴露出一些缺点，例如，整个电路体积大，集成度不高，而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点，特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定，为其应用带来局限，特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点，许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

数字隔离器问世于10多年前，目的是降低光耦合器相关的不利影响。数字隔离器采用基于CMOS的电路，能够显著节省成本和功耗，同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。绝缘材料决定其固有的隔离能力，所选材料必须符合安全标准。结构和数据传输方法的选择应以克服上述不利影响为目的。所有三个要素必须互相配合以平衡设计目标，但有一个目标必须不折不扣地实现，那就是符合安全法规。 

绝缘材料 

数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物（如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜）和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。

 
图1. (a) 带厚聚酰亚胺绝缘层的变压器，电流脉冲产生磁场，在另一个线圈中感生电流；(b) 带薄SiO2绝缘层的电容，利用低电流电场将数据耦合到隔离栅的另一端。

表1. 基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提供最佳的隔离特性 

安全标准通常规定1分钟耐压额定值（典型值2.5 kV rms至5 kV rms）和工作电压（典型值125 V rms至400 V rms）。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压（如10 kV峰值并持续50 μs）作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提高最佳的隔离特性，如表1所示。 

基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似，在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱，不能用于医疗和其他应用。 

各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜，可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔离能力也会受限；超过15 μm时，应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂，或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26 μm的隔离层。 

隔离器结构 

数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端，光耦合器则是使用LED光。 

如图1所示，变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流。电流脉冲很短（1 ns），因此平均电流很低。 

变压采用差分连接，提供高达100 kV/μs的出色共模瞬变抗扰度（光耦合器通常约为15 kV/μs）。磁性耦合对变压器线圈间距离的依赖性也弱于容性耦合对板间距离的依赖性，因此，变压变压器线圈之间的绝缘层可以更厚，从而获得更高的隔离能力。结合聚酰亚胺薄膜的低应力特性，使用聚酰亚胺的变压器比使用SiO2的电容更容易实现高级隔离性能。 

电容为单端连接，更容易受共模瞬变影响。虽然可以用差分电容对来弥补，但这会增大尺寸并提高成本。 

电容的优势之一是它使用低电流来产生耦合电场。当数据速率较高时（25 Mbps以上），这一优势就相当明显。 

数据传输方法 

光耦合器使用LED发出的光将数据传输到隔离栅的另一端：LED点亮时表示逻辑高电平，熄灭时表示逻辑低电平。当LED点亮时，光耦合器需要消耗电能；对于关注功耗的应用，光耦合器不是一个好的选择。多数光耦合器将输入端和/或输出端的信号调理留给设计人员实现，而这并不一定是非常简单的工作。 

数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据，支持更快的数据传输速度，能够处理USB和I2C等复杂的双向接口。 

一种方法是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲，以驱动变压器（图2）。这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。这种方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因为不像光耦合器，电源无需连续提供给器件。器件中可以包括刷新电路，以便定期更新直流电平。

 
图2. 一种数据传输方法是将边沿编码为单脉冲或双脉冲

另一种方法是使用RF调制信号，其使用方式与光耦合器使用光的方式非常相似，逻辑高电平信号将引起连续RF传输。这种方法的功耗高于脉冲方法，因为逻辑高电平信号需要持续消耗电能。 

也可以采用差分技术来提供共模抑制，不过，这些技术最好配合变压器等差分元件使用。 

选择正确的组合 

数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。在数字隔离器领域，不同的绝缘材料、结构和数据传输方法组合造就不同的产品，而不同的产品适合不同的具体应用。如上所述，基于聚合物的材料提供最鲁棒的隔离能力，这种材料几乎适合所有应用，但医疗保健和重工业设备等要求最严格的应用受益最大。为了实现最鲁棒的隔离，聚酰亚胺厚度可以超过对电容而言的合理厚度；因此，基于电容的隔离最适合不需要安全隔离的功能隔离应用。在这种情况下，基于变压器的隔离可能是最合理的，特别是结合差分数据传输方法，以便充分利用变压器的差分特性。

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