静噪基础教程连载——EMI静噪滤波器(二):使用LC的低通滤波器

6-3. 使用LC的低通滤波器

低通滤波器通常由电容器和电感器组成。虽然使用电容器和电感器构建滤波器是电路设计人员的常规任务,不过本节还是回顾基本特性。

6-3-1. 电容器

(1) 将噪声电流旁路到地

如图1所示,通过安装与负载并联的电容器,形成低通滤波器。


电容器阻抗本质上随着频率的增加而减小。这意味着,频率越高,负载上的电压越低。这是因为,如图所示,噪声电流被电容器旁路,并且不再流到负载。

图1 由电容器构成的低通滤波器

图1 由电容器构成的低通滤波器

(2) 非常适合高阻抗电路

除非电容器的阻抗相对小于输出阻抗和负载阻抗,否则噪声不会被旁路。这意味着,如果周围电路具有高阻抗,更容易让电容器工作。


在测量插损时,周围电路的阻抗为50Ω。然而,使用滤波器进行噪声抑制时,阻抗值通常不是50Ω,因此没有特定的固定值。为了估计实际使用滤波器时的降噪效果,必须基于借助插损测量的值,根据周围电路的阻抗进行转换。


第6-4节将进行详细解释。现在,我们假设周围电路的阻抗为50Ω,帮助更容易理解基本特性。

6-3-2. 由电容器构成的低通滤波器的基本特性

(1) 频率越高,效果越大

在绘制频率轴 (横轴) 的对数时,在衰减范围内,由电容器构成的低通滤波器的频率特性形成斜率为20dB/dec的直线,如图2所示。这是因为电容器的阻抗与频率成反比。如果频率增加十倍,电容器的阻抗将下降到十分之一,插损的变化量为20dB。
上述及本课程其他地方提到的“dec” (十) 意味着频率已经发生十倍的改变。

图2 由电容器构成的低通滤波器的基本特性

图2 由电容器构成的低通滤波器的基本特性

(2) 静电电容越大,效果越大

如图所示,如果电容器的静电电容改变,则插损曲线发生平行位移。如果电容器的静电电容发生十倍的变化,则衰减范围中插损的变化量同样为20dB。这是因为它将减少到十分之一,因为电容器的阻抗与静电电容成反比。

(3) 截止频率

通常,低通滤波器的频率特性在低频范围 (传输范围) 内接近0dB,并且在高频范围 (衰减范围) 内表现出显著的插损。插损变为3dB所处的频率用作分割这两个范围的频率。这称为截止频率。如图3所示,截止频率大致是滤波器产生效果的下限频率。

如果在50Ω下测量,旁路电容器的截止频率将是电容器的阻抗约为25Ω时所处的频率。

图3 截止频率

图3 截止频率

6-3-3. 电感器

(1) “扼流”噪声电流

如图7所示,电感器与负载并联安装。


电感器阻抗本质上随着频率的增加而增大。这意味着,频率越高,噪声电流通过越困难,因此负载上的电压越低。用于此目的的电感器称为扼流线圈,因为其以这种方式工作,以“扼流”电流。

图4 由电感器构成的低通滤波器

图4 由电感器构成的低通滤波器

(2) 非常适合低阻抗电路

电感器将不能扼流噪声电流,除非电感器的阻抗相对大于信号源的内部阻抗和负载阻抗。这意味着,与电容器相比,如果周围电路具有低阻抗,更容易让电感器工作。

6-3-4. 由电感器构成的低通滤波器的基本特性

(1) 与作为电感器相同的斜率: 20dB/dec

如图5所示,在衰减范围内,由电感器构成的低通滤波器的频率特性形成斜率为20dB/dec的直线——与电容器一样。这是因为电感器的阻抗与频率成比例地增加。如果频率增加十倍,阻抗也将增加十倍,插损的变化量为20dB。

图5 由电感器构成的低通滤波器的基本特性

图5 由电感器构成的低通滤波器的基本特性

(2) 结果与电感成比例增加

如图所示,如果电感器的电感改变,则插损曲线发生平行位移。这与电容器的情况相同。

(3) 截止频率

如果在50Ω下测量,电感器的截止频率将是电感器的阻抗约为100Ω时所处的频率。

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6 近磁场测量条件

(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。

图7 近磁场结果

图7 近磁场结果

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。

(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。

图8 LC滤波器配置和频率特性

图8 LC滤波器配置和频率特性

(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。)

1.当截止频率相同时,可以消除更多噪声。

2.当降噪能力相同时,可以传递更高频率范围内的信号。

3.可以获得极大的插损 (如果仅有单个部件,将无法实现) 。

后文将解释这些益处。


・更容易分离噪声和信号


在信号频率和噪声频率接近时, (1) 和 (2) 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。
为了精确地控制截止频率,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。

图9 较陡频率特性的益处

图9 较陡频率特性的益处

・能够大大降低噪声


(3) 上述情况是有益的,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,即使使用具有理论最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。

(2) 理论特性

图10 (a) 表示上述介绍的理论值。为了使图更容易阅读,电容和电感常数被截短。紧密地匹配常数 (例如,将电感设置为2.5μH) 将导致电容器和电感器的曲线完全重叠。π型滤波器的截止频率约为16MHz。

(3) 实际部件特性

图10 (b) 显示实际部件特性的示例。针对每个部分给出标称值,因此包括一些测量误差。此外,π型滤波常数与 (a) 中的计算使用的值不同。即使如此,图中显示,对于100MHz及以下的频率,实际上可以获得非常接近理论特性的值。


另一方面,实际特性与超过100MHz的频率的理论值显著不同。插损值尤其在1GHz附近突然下降。


这是因为在较高频率下寄生元件对电容器和电感器的影响更强。下一章节将阐述寄生元件的效果。

图10 理论与实际特性

图10 理论与实际特性

“6-3. 使用LC的低通滤波器”- 要点

  • 电容器和电感器用作低通滤波器的元件。
  • 电容器旁路噪声电流接地。
  • 电感器扼流噪声电流。
  • 组合电容器和电感器可以改善频率特性。
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