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    簡(jiǎn)單的電源濾波器設(shè)計(jì)
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  •   發(fā)布日期: 2024-03-01  瀏覽次數(shù): 3,339

    一、濾波器基礎(chǔ)

    1.1、濾波器定義:

    《GB/T 2900.1-2008電工術(shù)語(yǔ) 基本術(shù)語(yǔ)》定義:濾波器(Filter)是指按規(guī)定的法則設(shè)計(jì)用來(lái)傳遞輸入量的各頻譜分量的一種線性二端口器件。通常是為了通過(guò)某些頻帶頻譜分量而衰減在其它一些頻帶內(nèi)的頻譜分量。

    濾波器的通用定義:濾波器是集中參數(shù)電阻、電容和電感,以及分布參數(shù)的電感、電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)允許某些頻率通過(guò),對(duì)其它的頻率成分加以抑制衰減,濾波器實(shí)際上是選頻電路。

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    簡(jiǎn)單的電源濾波器設(shè)計(jì)

    1.2、濾波器分類:

    1.2.1、根據(jù)頻率特性(幅頻特性與相頻特性)

    可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。

    低通濾波器:

    從0~f2頻率之間,幅頻特性平直,可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分不受衰減地通過(guò),而高于f2工的頻率成分受到極大地衰減。 ? ?

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    低通濾波器主要電路形式

    高通濾波器:

    與低通濾波器相反,從f1~∞頻率之間,其幅頻特性平直,使信號(hào)高于f1的頻率成分幾乎無(wú)衰減的通過(guò),而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。

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    帶通濾波器:

    在通頻帶f1~f2之間,它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過(guò),而其它成分受到衰減。 ? ?

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    帶通濾波器頻率特性

    帶阻濾波器:

    與帶通濾波器相反,阻帶在頻率f1~f2之間,它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減,而其它頻率成分的信號(hào)幾乎不受到衰減地通過(guò)。

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    帶阻濾波器頻率特性

    低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種基本形式,其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器,低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器,低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。 ? ?

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    1.2.2、根據(jù)能量損耗特性

    可分為反射式濾波器和吸收式濾波器。

    反射式濾波器:

    反射式濾波器又稱無(wú)損濾波器,其工作原理是在電磁信號(hào)傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù),使大部分電磁能量反射回信號(hào)源處。反射式濾波器采用電感L、電容C等儲(chǔ)能元件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò),有很好的頻率選擇特性,但容易產(chǎn)生諧振。

    吸收式濾波器:

    采用有損耗的濾波元件,使騷擾信號(hào)的能量消耗在濾波器中,以達(dá)到抑制干擾的目的,又稱有損濾波器,吸收式濾波可避免反射式濾波因寄生參數(shù)效應(yīng)或阻抗不匹配引起的諧振,但其頻率選擇性較差。吸收式濾波器采用鐵氧體材料或其他有損耗材料,將導(dǎo)線穿過(guò)或纏繞在各種形狀的鐵氧體材料上,利用其電感及磁場(chǎng)渦流損耗阻斷騷擾信號(hào)的傳播。 ? ?

    1.2.3、根據(jù)"最佳逼近特性"標(biāo)準(zhǔn)分類

    可分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器。

    巴特沃斯濾波器(Butter worth Filter):

    從幅頻特性提出要求,而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性,特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦,沒(méi)有紋波,而在阻頻帶則逐漸下降為零。

    巴特沃斯低通濾波器可用如下振幅的平方對(duì)頻率的公式表示:

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    巴特沃斯1~5階低通濾波器曲線

    切比雪夫?yàn)V波器(Cheby shev Filter)

    切比雪夫?yàn)V波器,又名"車比雪夫?yàn)V波器",是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等紋波波動(dòng)的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器來(lái)自切比雪夫分布,是用以紀(jì)念俄羅斯數(shù)學(xué)家巴夫尼提.列波維其.切比雪夫。

    切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快,但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小,但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng)。 ? ?

    I型切比雪夫?yàn)V波器,切比雪夫?yàn)V波器的幅度與頻率的關(guān)系可用下列公司表示:

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    I型切比雪夫?yàn)V波器函數(shù)曲線

    II型切比雪夫?yàn)V波器:

    也稱倒數(shù)切比雪夫?yàn)V波器,較不常用,因?yàn)轭l率截止速度不如I型快,也不需要用更多的電子元件。II型切比雪夫?yàn)V波器在通頻帶內(nèi)沒(méi)有幅度波動(dòng),只在阻帶內(nèi)有幅度波動(dòng)。

    II型切比雪夫?yàn)V波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為:

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    II型切比雪夫?yàn)V波器函數(shù)曲線

    貝塞爾濾波器(Bessel Filter):

    貝塞爾濾波器是具有最平坦的幅度和相位響應(yīng)。帶通的相位響應(yīng)近乎呈線性。貝塞爾濾波器由于具有向其截止頻率以下的所有頻率提供等量延時(shí)的特性,才被用于音頻設(shè)備中,在音頻設(shè)備中,必須在不損害頻帶內(nèi)多信號(hào)的相位關(guān)系前提下,消除帶外噪聲。描述貝塞爾濾波器低通濾波器的傳遞函數(shù)如下:? ??簡(jiǎn)單的電源濾波器設(shè)計(jì)

    1.2.4、濾波器其它分類方式

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    二、濾波器非理想性

    2.1、理想濾波器:

    理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真,阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器,其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說(shuō),理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù),相頻特性的斜率為常數(shù),在通帶外的幅頻特性為零。

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    理想濾波器的幅頻與相頻特性

    2.2、實(shí)際濾波器:

    理想濾波器是不存在的,在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中,通帶和阻帶之間應(yīng)沒(méi)有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在過(guò)渡帶,在過(guò)渡帶內(nèi)的頻率不會(huì)被完全抑制,只會(huì)被衰減。濾波器設(shè)計(jì)時(shí)希望過(guò)渡帶越窄越好,也就是希望對(duì)通帶外頻率成分衰減的越快越好,實(shí)際濾波器設(shè)計(jì)時(shí),總是通過(guò)各種方法使其盡量逼近理想濾波器。 ? ?

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    理想濾波器與設(shè)計(jì)濾波器幅頻特性對(duì)比

    三、濾波器的技術(shù)參數(shù)

    濾波器的主要參數(shù):插入損耗、回波損耗、通帶帶寬、帶內(nèi)波動(dòng)、紋波、帶內(nèi)駐波比、中心頻率、截止頻率、延遲、帶內(nèi)相位線性度。

    3.1、插入損耗(Insertion Loss):

    由于濾波器的引入對(duì)電路中原有信號(hào)帶來(lái)的衰減,以中心或截止頻率處損耗表征,如要求全帶內(nèi)插損需要強(qiáng)調(diào)。插入損耗是衡量濾波器的主要指標(biāo)參數(shù),插入損耗是不帶濾波器時(shí),從源端到負(fù)載轉(zhuǎn)換的信號(hào)電壓與加入濾波器時(shí)源到負(fù)載轉(zhuǎn)換的信號(hào)電壓的比值:

    23079ffe-d5cb-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg? ?

    U1-----未接入濾波器,信號(hào)源在負(fù)載上建立的電壓。

    U2-----接入濾波器,信號(hào)源在負(fù)載上建立的電壓。

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    濾波器插入損耗仿真曲線圖

    3.2、回波損耗(Return Loss):

    又稱為反射損耗,是表示信號(hào)反射性能的參數(shù),回波損耗說(shuō)明入射功率的部分被反射回到信號(hào)源?;夭〒p耗主要是鏈路中阻抗不匹配所產(chǎn)生的,回波損耗與反射系數(shù)的關(guān)系為:

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    回波損耗愈大愈好,以減少反射信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響,輸入功率被全部吸收時(shí)回波損耗為無(wú)窮大。

    3.3、阻抗特性:

    濾波器的輸入阻抗、輸出阻抗直接影響其插入損耗特性。在使用EMI濾波器時(shí),保證在輸入、輸出最大限度阻抗失配的情況下,有合乎要求的最佳抑制效果。使用信號(hào)濾波器,應(yīng)遵循對(duì)有用信號(hào)輸入、輸出端阻抗匹配原則,防止信號(hào)衰減,對(duì)無(wú)用信號(hào)或需要濾除的干擾信號(hào)來(lái)說(shuō)應(yīng)保證最大阻抗失配,達(dá)到最佳濾波效果。

    濾波器阻抗仿真曲線圖示:

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    根據(jù)源阻抗與負(fù)載阻抗選擇濾波器: ? ?

     

    源阻抗 濾波器類別 負(fù)載阻抗
    C、π、多級(jí)π
    Γ、多級(jí)Γ
    反Γ、多級(jí)反Γ
    L、T、多級(jí)T

     

    濾波器要滿足負(fù)載電路工作頻率和需抑制頻率的要求。在所要求的頻率上,濾波器的阻抗必須與它連接的干擾源阻抗和負(fù)載阻抗匹配,如果干擾源是高阻抗,則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為低阻;如果干擾源是低阻抗,則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為高阻。

    3.4、其它參數(shù)指標(biāo):

    3.4.1、延遲(TD):

    指信號(hào)通過(guò)濾波器所需要的時(shí)間,數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對(duì)角頻率的導(dǎo)數(shù),即TD=DF/DV。

    3.4.2、紋波(Ripple)

    指3dB帶寬(截止頻率)范圍內(nèi),插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動(dòng)的峰-峰值。

    3.4.3、帶內(nèi)波動(dòng)(Pass Band Ripple):

    通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動(dòng)是1dB。

    3.4.4、帶內(nèi)駐波比(VSWR):

    衡量濾波器通帶內(nèi)信號(hào)是否良好匹配傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。理想匹配VSWR=1:1,失配時(shí)

    <1。在入射波和反射波相位相同的地方,電壓振幅相加為最大電壓振幅VMAX,形成波腹。

    在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅VMIN,形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間,這種合成波稱為行駐波,駐波比是駐波波腹處的電壓幅值VMAX與波節(jié)處的電壓幅值VMIN之比。 ? ?

    3.4.5帶內(nèi)相位線性度:

    該指標(biāo)表征濾波器對(duì)通帶內(nèi)傳輸信號(hào)引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的相位線性度。

    3.4.6、截止頻率(Cutoff frequency):

    指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn),通常以1dB或3dB相對(duì)損耗點(diǎn)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)定義。相對(duì)損耗的參考基準(zhǔn)為:低通以DC處插損為基準(zhǔn),高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高頻帶頻率處插損為基準(zhǔn)。

    3.4.7、中心頻率(Center Frequency):

    濾波器通帶的頻率為f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對(duì)下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。窄帶濾波器常以插損最小點(diǎn)為中心頻率計(jì)算通帶帶寬。? ? ??

    四、濾波器的安裝要求:

    4.1、濾波器安裝位置要求:

    ü一個(gè)騷擾源影響多個(gè)敏感設(shè)備時(shí),濾波器靠近騷擾源放置。反之,只有一個(gè)敏感設(shè)備,而有多個(gè)騷擾源時(shí),濾波器靠近敏感設(shè)備放置。濾波器靠近騷擾源放置的好處,使干擾局限在騷擾源附近,切斷騷擾源的干擾路徑,抑制騷擾源的發(fā)射。

    üPCB上濾波器應(yīng)安裝在接口處,需要安裝多個(gè)濾波器時(shí),應(yīng)并列安裝,防止不同信號(hào)線濾波前后的耦合;當(dāng)信號(hào)接口處只有一個(gè)干擾源時(shí),濾波器應(yīng)盡量靠近騷擾源安裝 。

    4.2、濾波器輸出輸入布線要求:

    ü濾波器的輸入與輸出線必須屏蔽隔離,輸入與輸出布線靠近時(shí)會(huì)互相耦合,降低濾波器的濾波效果。

    ü其它信號(hào)布線應(yīng)避免貼近需要增加濾波器的干擾信號(hào)布線放置,避免干擾信號(hào)源耦合到其它信號(hào)布線,降低濾波器的濾波效果。 ? ?

    ü濾波后的信號(hào)布應(yīng)避免靠近強(qiáng)干擾信號(hào)布線,避免濾波后信號(hào)線被二次污染,降低濾波器的濾波效果。

    4.3、濾波器的接地要求:

    ü濾波器通過(guò)細(xì)地線接地,高頻濾波效果非常差,使濾波器的接地外殼與金屬結(jié)構(gòu)平面良好搭接,改善接地效果。

    ü濾波器接地點(diǎn)應(yīng)選擇靜地(無(wú)強(qiáng)干擾源污染的地平面),接地線應(yīng)盡量短而粗,減小接地的寄生電感,且接地點(diǎn)應(yīng)選擇回流干擾源環(huán)路面積最小的點(diǎn)。


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