车辆电磁兼容基础：滤波器特性与分类

在电磁兼容领域，滤波是指从混有噪声或骚扰的信号中提取有用信号分量的一种方法或技术。能实现滤波功能的电路或器件称为滤波器。滤波器可以定义为一个网络，是由集中分布参数电阻、电感和电容，或是它们的某种组合所构成的。这样的网络能使某些频率成分易于通过而称为通带，而阻碍其他一些频率成分的通过而称为阻带。即在滤波器的通带频率范围内，能量传输只有很小或没有衰减，而在阻带频率范围内能量传输衰减很大。

滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入损耗及传输频率特性等。

描述滤波器性能的最主要参数是插入损耗。插入损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的定义是

式中，U₁为信号源通过滤波器在负载阻抗上建立的电压（V）；U₂为不接滤波器时信号源在同一负载阻抗上建立的电压（V）；L_in为插入损耗（dB）。

额定电压指输入滤波器的最高允许电压值。若输入滤波器的电压过高，会使内部电容器损坏。额定电流指在额定电压和规定环境温度下，滤波器所允许的最大连续工作电流。一般使用温度越高，则允许的工作电流就越小，同时工作电流还与频率有关：工作频率越高，其允许的工作电流也越小。

进行电磁兼容的滤波设计，首先要了解主要的滤波元件，这是滤波设计的基础。简单地说，滤波元件可分为电容类和电感类。

1.电容类

电容类滤波元件通常被称为电容类低阻元件。这种说法有道理的，因为电容通常是用来分流的，所以阻抗必须要小，即。

如前所述，实际电容的引脚上存在寄生电感（ESL）和寄生电阻（ESR）。这会改变电容的阻抗特性，即当频率f=时，实际电容会发生谐振。实际电容与理想电容阻抗的比较如图5-45所示。

图5-45 实际电容与理想电容阻抗的比较

此时实际电容阻抗最低为ESR，这一点被称为谐振点。而谐振点附近是电容最佳的滤波频段，这也是选取电容的依据。从上述公式可以看出，电容C越大，谐振点频率越低，即电容滤低频波较有效（如用于电动机等的滤波）；电容C越大，谐振点频率越高，即电容滤高频波较有效（如用于数字电路等的滤波）。通俗地讲，就是“大电容滤低频，小电容滤高频”。这个公式也很好地解释了为什么一般都强调电容接地的引脚要短。因为引脚越短，寄生电感ESL越小，越有利于高频滤波。而ESR越小，滤波效果越好。所以选择电容时，也要注意其ESL和ESR的大小。

使用电容滤波时要注意：电容所接的“地”必须是“干净的”。之所以这样说，是因为如果“地”的噪声比信号线上的还要大，滤波是起不到效果的，甚至出现负面效果。

2.电感类

电感类元件通常被称为电感类高阻元件。因为电感通常是用来分压的，所以阻抗相对来说要大，即ωL＞1。按其作用来分，电感可分为差模电感和共模电感。(www.xing528.com)

差模电感主要用于抑制差模电流（注意：辐射一般是电流造成的）。与电容相似，实际电感也存在寄生电阻与寄生电容，从而使得实际电感在频率时发生谐振。实际电感与理想电感的阻抗比较如图5-46所示。

不同的是，此时电感阻抗最大为ESR。对实际电感进行相同的分析，可以得出结论：大电感滤低频，小电感滤高频。

共模电感用于抑制共模电流，而共模电流是主要的辐射源。图5-47所示为用在电源线上的用于抑制共模电流的共模电感。

从图5-47中可以看出，共模电流由于其产生的磁场相互叠加，而被明显的抑制；差模电流由于其产生的磁场相互抵消，而不受影响。

图5-46 实际电感与理想电感的阻抗比较

图5-47 用于抑制共模电流的共模电感

需要明确的是，电感（差模电感和共模电感）一般只用于低频，高频时是不用电感的，因为磁心的磁导率μ在高频时会变差。在高频时选择磁珠和磁环。磁珠主要用于抑制高频差模电流，常见于线路板上的电源或信号滤波。磁环主要用于抑制高频共模电流，如前面所说的笔记本电脑电源线上的磁环。实际应用时，为了增加磁环的电感量，提高抑制效果，常让穿过磁环的导线反复绕几圈。

除了以上两种滤波器的分类之外，从不同的角度，滤波器有不同的分类方法。

1）按照滤波原理，可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。

2）按照工作条件，可分为无源滤波器和有源滤波器。

3）按照频率特性，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

4）按照使用场合，可分为电源滤波器、信号滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、防电磁信息泄漏专用滤波器、印制电路板专用微型滤波器等。