阻抗问题 - 滤波器分类与选型实战经验总结

　　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。