连载 | 村田静噪小课堂 : EMI静噪滤波器 - 使用LC的低通滤波器（下）

来源:Murata村田中国发布时间:2022-11-281954浏览

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同学们,

《静噪基础课程》本期继续开讲！

上一章介绍的是

导体传导和共模

本章开始为你介绍EMI静噪滤波器

第 6章
EMI静噪滤波器

第1章为什么需要EMI静噪滤波器

第2章产生电磁噪声的机制

第3章噪声问题复杂化的因素

第4章空间传导及其应对措施

第5章导体传导和共模

第6章 EMI静噪滤波器

6-1.简介

6-2.EMI静噪滤波器

6-3.使用LC的低通滤波器

6-3-1. 电容器
6-3-2. 由电容器构成的低通滤波器的基本特性
6-3-3. 电感器
6-3-4.由电感器构成的低通滤波器的基本特性
6-3-5.使用电容器和电感器时电流的变化
6-3-6.结合电容器和电感器的滤波器
6-3-7.实际滤波器特性的示例

6-4.滤波器基本与实际特性不同

6-5.电容器的实际特性

小贴士

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6-3使用LC的低通滤波器

6-3-5. 使用电容器和电感器时电流的变化

(1) 噪声流动变得可见

当使用电容器或电感器时，电流如何实现旁路或扼流？

图6和图7显示使用第3章中介绍的近场磁测量系统来测量使用滤波器之前和之后的电流分布的结果。

图6 近磁场测量条件

图7近磁场结果

(2) 观察沿信号线流动的噪声

图6显示测量条件。此处使用与3-3-4中用于测量电流驻波相同的测量系统。如图6 (b) 所示，在300mm×100mm的电路基板的中央，水平地布置一根信号线。电路板的下侧以及除了信号线之外的整个表面区域接地。从该信号线的左侧，当输入33MHz数字信号并且电流分布时，使用探针测量近磁场。数字IC连接到信号线的末端。

以这种方式接地，信号线可能被认为是被称为MSL的传输线路。信号线的宽度经过调整，因而特性阻抗为50Ω。

使用从商店购买的测量仪器 (被称为EMI测试器) 测量近磁场。在图中，测量面积为290m×30mm，测量间距为5mm，观察到的频率为99MHz。99MHz是33MHz数字信号的第三次谐波。

(3) 无滤波器时的噪声分布

当旁路电容器及电感器安装在信号线的中心位置 (距离信号输入150mm) 时，观察到电流分布的变化。测量结果如图7所示。

图7 (a) 与3-3-8中图19 (a) 所示的数据相同，但没有过滤器。在图中，噪声从左边进入，并且当其流向右边缘的端子数字IC时，信号逐渐变弱。这是因为在右边缘的数字IC处，由于输入阻抗高而电流低，形成了电流驻波，并且在相关观察范围中观察到驻波的大致半个周期。

(4) 用电容器旁路时的噪声观察

图7 (b) 显示使用电容器时的情况。信号线和地线之间使用1000pF MLCC。测量结果表明，中心滤波器的左侧电流较强，右侧电流较弱。这可以解释为表明从左侧进入的噪声被电容器旁路，并且被阻止输出到右侧。

以这种方式使用电容器会使噪声被强烈反射回噪声源，因此噪声源和电容器之间的电流更强。因此，使用滤波器尽可能接近噪声源，确保来自线路的该部分的噪声不被发射。

(5) 用电感器扼流噪声电流

图7 (c) 显示使用电感器时的情况。铁氧体磁珠 (470Ω@ 100MHz) 平行于信号线插入。

测量结果表明，中心滤波器的左右 (两侧) 电流较弱。这可以解释为表明用电感器扼流电流的效果甚至延伸到噪声源。

电感器也削弱了噪声源侧的电流。因此，在噪声源附近没有空间却不得不安装一个部件以抑制线路噪声的应用中，它们变得非常有价值。然而，其阻挡噪声的能力通常不如电容器。

6-3-6. 结合电容器和电感器的滤波器

(1) LC滤波器

可以组合电容器和电感器以改善频率特性。图8显示了某些组合电容器和电感器的LC滤波器的基本特性。

如果使用单个电容器或电感器，则频率特性的斜率将为20dB/dec。

其中组合单个电容器和单个电感器的L型滤波器，斜率将为40dB/dec。由总共三个部分形成的π型或T型滤波器将拥有60dB/dec的斜率。

图8 LC滤波器配置和频率特性

(2) 每个部分增加斜率20dB/dec

通过向组合中增加另一部分，频率特性的斜率可以增加20dB。每个部分增加斜率20dB。这样有助于提高滤波器拾取信号和噪声的能力 (图1)。

滤波器中部件的数量被称为滤波器的“阶数”。L型滤波器是二阶滤波器，而π型或T型滤波器是三阶滤波器。阶数较高的滤波器具有更陡的频率特性。

(3) 组合使用时电容器和电感器交替

在组合部件时，交替使用电感器和电容器。如果两个电容器或电感器组合在一起，滤波器的阶数不会增加。这样只会增加电容和电感常数。

请注意，图8所示特性为理想化特性。如果没有根据周围电路的阻抗适当地设置电容器和电感器常数，则频率特性将不会如此陡峭地倾斜。

(4) 使用LC滤波器的益处

如上所示，阶数较高的滤波器具有更陡的频率特性斜率。这一属性在抑制噪声方面具有以下益处。(另一方面，这在成本方面是不利的，因为涉及更多的部件。)

当截止频率相同时，可以消除更多噪声。
当降噪能力相同时，可以传递更高频率范围内的信号。
可以获得极大的插损 (如果仅有单个部件，将无法实现) 。

图9 较陡频率特性的益处

下面解释这些益处：

◆ 更容易分离噪声和信号

在信号频率和噪声频率接近时， I 和 II 是有益的。如图9所示，这样可以在保持信号频率的同时降低噪声。因此，LC复合滤波器通常用于必须保持脉冲波形的时钟信号。

为了准确地控制截止频率，必须调整电容器和电感器常数以匹配周围电路的阻抗。许多准备用作信号滤波器的LC滤波器经过调整，以匹配大约50Ω的电路。

◆ 能够大大降低噪声

上述III情况是有益的，因为当使用单个部件时，插损存在限制。

例如，当使用电容器消除噪声时，即使使用具有理论超大静电电容的电容器 (例如，1000μF) ，也可以完全消除噪声 (在超过1MHz的所有频率上为100dB或更高) 。然而，实际上，单个电容器仅能够在某些频率处获得大约60dB的插损，而不管电容器的静电电容有多大 (不计算三端电容器和稍后解释的其他特殊电容器) 。这是因为除了静电电容之外，电容器还具有寄生元件，例如ESR和ESL。

可以通过组合电容器与电感器克服限制。利用LC滤波器可以实现例如80dB (或甚至超过100dB，视条件而定) 的插损。

这就是LC滤波器用于开关电源和其他非常嘈杂的设备的原因。

6-3-7. 实际滤波器特性的示例

(1) 截止频率约为10MHz的滤波器比较

电容器和电感器真正特性是什么？图10显示，在截止频率约为10MHz时，对比三种类型滤波器的特性。这里显示的是电容器、电感器和π型LC滤波器。