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第三章 硬件抗干扰技术

谈英姿tanyz@seu.edu.cn

东南大学自控系工业自动化教研室

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第 2 页

RETNRETN

STOPSTOP

主要硬件抗干扰技术

接地屏蔽滤波

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第 3 页

RETNRETN

STOPSTOP

接地

为什么要地线地线问题－地环路地线问题－公共阻抗耦合接地方式种类电缆屏蔽层的接地

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第 4 页

RETNRETN

STOPSTOP

安全地

220V 0V

+ + + + +

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第 5 页

RETNRETN

STOPSTOP

信号地

定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径

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第 6 页

RETNRETN

STOPSTOP

地线引发干扰问题的原因

V = I R 地线电压地线是等电位的假设不成立

电流走最小阻抗路径

我们并不知道地电流的

确切路径地电流失

去控制

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第 7 页

RETNRETN

STOPSTOP

地线电位示意图

2mV200mV2mV ~ 10mV

10mV ~ 20mV20mV ~ 100mV

100mV ~ 200mV

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第 8 页

RETNRETN

STOPSTOP

导线的阻抗

Z = RAC + jLL 1H/m

= 1 / ( f r r)1/2

RAC= 0.076r f1/2 RDC

r

电流

深度0.37I

I趋肤效应

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第 9 页

RETNRETN

STOPSTOP

导线的阻抗

频率 Hz

d = 0.65cm 10cm 1m

d = 0.27cm 10cm 1m

d = 0.06cm 10cm 1m

d= 0.04cm 10cm 1m

10Hz 51.4 517 327 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m

1k 429 7.14m

632 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m

100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07

1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6

5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53

10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106

50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530

100M 42.6 54 71.4 77

150M 63.9 81 107 115

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第 10 页

RETNRETN

STOPSTOP

金属条与导线的阻抗比较

00.10.20.30.40.5

0.6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 S / W

金属条阻抗 / 导线阻抗

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第 11 页

RETNRETN

STOPSTOP

地线问题－地环路

IG

VG

VN

地环路

I1

I2

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第 12 页

RETNRETN

STOPSTOP

隔离变压器

屏蔽层只能接2

点！

C2

VG1 2

C1

屏蔽

CP

VG

VS

VN

RL

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第 13 页

RETNRETN

STOPSTOP

光隔离器

发送 接收RL

VG

VS

光耦器件Cp

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第 14 页

RETNRETN

STOPSTOP

共模扼流圈的作用

Vs

R1

R1

RL

L

VG

IN1

IN2

ISVS + VN

= R1 / L

VN / VG

RL/ （ RS + RL ）

M

f

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第 15 页

RETNRETN

STOPSTOP

平衡电路对地环路干扰的抑制

VG

RS1

VS1

RS2

RL2

RL1

VS2

IN1

IN2

IS VL

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第 16 页

RETNRETN

STOPSTOP

地线问题－公共阻抗耦合

电路 1 电路2

地电流 1 地电流2

公共地阻抗

V

~

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第 17 页

RETNRETN

STOPSTOP

接地方式种类

信号接地方式

并联单点接地 串联单点接地

混合接地 多点接地 单点接地

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第 18 页

RETNRETN

STOPSTOP

单点接地

1 2 3 1 2 3

串联单点接地

优点：简单

缺点：公共阻抗耦合

并联单点接地

优点：无公共阻抗耦合

缺点：接地线过多

I1 I2 I3

I1

I2

I3

A B C

A

BC

R1

R2 R3

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第 19 页

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STOPSTOP

串联单点、并联单点混合接地

模拟电路 1 模拟电路 2 模拟电路 3

数字逻辑控制电路数字信息处理电路

继电器驱动电路马达驱动电路

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第 20 页

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STOPSTOP

线路板上的地线

噪声模拟

数字

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第 21 页

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STOPSTOP

长地线的阻抗

设备

Z0 = (L/C)1/2

R RLL

CC

FP1 = 1/2(LC)1/2

ZP = (L)2/R

RAC

RDC 串联谐振

并联谐振

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第 22 页

RETNRETN

STOPSTOP

多点接地

R1 R2 R3

L1L2 L3

电路1

电路2

电路3

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第 23 页

RETNRETN

STOPSTOP

混合接地

~ Vs

地电流

Rs

~ Vs

安全接地

Rs

安全接地地环路电流

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第 24 页

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STOPSTOP

屏蔽

屏蔽的概念–电屏蔽–磁屏蔽–电磁屏蔽

实际屏蔽体的问题双绞线和金属屏蔽线

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第 25 页

RETNRETN

STOPSTOP

屏蔽的概念

屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传播的一种措施；

屏蔽体是为了阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电的、导磁的、介质的或带有非金属吸收填料的。

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第 26 页

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STOPSTOP

屏蔽效能

屏蔽前的场强 E1 屏蔽后的场强 E2

屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量 :

SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB

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第 27 页

RETNRETN

STOPSTOP

屏蔽效能与场强衰减的关系

屏蔽效能越高，每增加２０ｄＢ的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要４０ｄＢ左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要６０ｄＢ以上的屏蔽效能。

屏蔽前场强屏蔽前场强 屏蔽后的场强屏蔽后的场强 衰减量衰减量 屏蔽效能 (dB)屏蔽效能 (dB)

11 0.10.1 0.90.9 2020

11 0.010.01 0.990.99 4040

11 0.0010.001 0.9990.999 6060

11 0.00010.0001 0.99990.9999 8080

11 0.000010.00001 0.999990.99999 100100

11 0.0000010.000001 0.9999990.999999 120120

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第 28 页

RETNRETN

STOPSTOP

电屏蔽

具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，而且腔内场强也为零，因而置于腔内的物体不受外界电场的影响，这种作用叫静电屏蔽。

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第 29 页

RETNRETN

STOPSTOP

电屏蔽

静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体。由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道。

C1s

C1G

C2G

V1Vs

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第 30 页

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STOPSTOP

磁屏蔽

载流导体或线圈周围都会产生磁场，如果电流是随时间变化的，则磁场也随时间变化，这变化的磁场会对其他元件或电路造成干扰；

对于低频磁场的屏蔽，主要依赖高导磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用

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第 31 页

RETNRETN

STOPSTOP

高导磁率材料的磁旁路效果

H0H1

H0

Rs

R0

H1

R0 Rs

SE = 1 + R0/RS

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第 32 页

RETNRETN

STOPSTOP

怎样屏蔽低频磁场？

低频磁场低频

磁场

吸收损耗小

反射损耗小

高导电材料

高导磁材料

高导电材料

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第 33 页

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STOPSTOP

磁屏蔽材料的频率特性

1

5

10

15坡莫合金

金属

镍钢

冷轧钢

0.01 0.1 1.0 10 100 kHz

r 103

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第 34 页

RETNRETN

STOPSTOP

电磁屏蔽

电磁屏蔽是对于高频电磁场的屏蔽 电磁波在通过金属材料或对电磁波有衰减作用的阻

挡层时，会受到一定程度的衰减，这就起到了电磁屏蔽的作用。

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第 35 页

RETNRETN

STOPSTOP

趋肤深度举例

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第 36 页

RETNRETN

STOPSTOP

电磁屏蔽与静电屏蔽

电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽，而静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽。

静电屏蔽要求屏蔽体必须接地。 影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接

地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接缝、开口等。

电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。

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第 37 页

RETNRETN

STOPSTOP

实际屏蔽体的问题

通风口显示窗

键盘

指示灯电缆插座调节旋钮

实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等 电源线

缝隙

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第 38 页

RETNRETN

STOPSTOP

缝隙的泄漏

低频起主要作用 高频起主要作用

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第 39 页

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STOPSTOP

缝隙的处理

电磁密封衬垫

缝隙

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第 40 页

RETNRETN

STOPSTOP

电磁密封衬垫的种类

• 金属丝网衬垫 ( 带橡胶芯的和空心的)

•导电橡胶 ( 不同导电填充物的 )

•指形簧片 ( 不同表面涂覆层的 )

•螺旋管衬垫 ( 不锈钢的和镀锡铍铜的 )

•导电布

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第 41 页

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STOPSTOP

指形簧片

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第 42 页

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STOPSTOP

螺旋管电磁密封衬垫

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第 43 页

RETNRETN

STOPSTOP

电磁密封衬垫的主要参数

屏蔽效能 ( 关系到总体屏蔽效能 )

回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距） 最小密封压力（关系到最小压缩量）最大形变量（关系到最大压缩量） 压缩永久形变（关系到允许盖板开关次数） 电化学相容性（关系到屏蔽效能的稳定性）

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第 44 页

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STOPSTOP

各种电磁密封衬垫的特点衬垫种类衬垫种类 屏蔽效能屏蔽效能 弹性弹性 永久

形变永久形变

环境密封

环境密封 价格价格 优点优点

不锈钢螺旋管不锈钢螺旋管 高高 好好 小小 无无 低低价低价低

镀锡铍铜螺旋管镀锡铍铜螺旋管 很高很高 好好 小小 无无 中中 屏蔽效能高 屏蔽效能高

多重密封螺旋管多重密封螺旋管 高高 好好 小小 有有 较高较高 有环境密封、耐久有环境密封、耐久

指形簧片指形簧片 高高 好好 小小 无无 高高 压缩最大、允许切向滑动接触

压缩最大、允许切向滑动接触

空心金属网套空心金属网套 低频高　高频中等

低频高　高频中等

好好 较小较小 无无 中中需要的压力小需要的压力小

橡胶芯金属网套橡胶芯金属网套 低频高　高频中等

低频高　高频中等

好好 小小 无无 低低价低价低

传统导电橡胶传统导电橡胶 低频低　高频高

低频低　高频高

差差 大大 有有 高高 有环境密封、高频屏蔽好

有环境密封、高频屏蔽好

双重导电橡胶双重导电橡胶 低频低　高频高

低频低　高频高

好好 小小 有有 低低 有环境密封、高频屏蔽好、价低

有环境密封、高频屏蔽好、价低

定向金属丝导电橡胶

定向金属丝导电橡胶

低频高　高频低

低频高　高频低

好好 小小 有有 低低有环境密封、价低有环境密封、价低

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第 45 页

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STOPSTOP

电磁密封衬垫的安装方法

绝缘漆 环境密封

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第 46 页

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STOPSTOP

显示窗 / 器件的处理

隔离舱

滤波器屏蔽窗

滤波器

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第 47 页

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STOPSTOP

操作器件的处理

屏蔽体上开小孔

用隔离舱将操作器件隔离出

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第 48 页

RETNRETN

STOPSTOP

通风口的处理

穿孔金属板

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第 49 页

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STOPSTOP

屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法

在内部可将电缆延伸

表面做导电清洁处理，保持 360度连接

注意防腐

屏蔽互套

屏蔽体边界

屏蔽电缆

与电缆套 360度搭接

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第 50 页

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STOPSTOP

屏蔽 壳体上的穿线

屏蔽 壳体上不允许有任何导线穿过，屏蔽效能再高的屏蔽体，一 旦有导线穿过屏蔽体，屏蔽体的屏蔽效能 就会大幅度下降。这是因为导线充当了接收 干扰和辐射干扰的天线。当有导线要穿过屏蔽体 时，必须使用贯通滤波器，如图所示。这样可以将导线接收 到的干扰滤除到屏蔽体上， 从而避免干扰穿过屏蔽体。

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第 51 页

RETNRETN

STOPSTOP

搭接

电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭接。 例如：•电缆屏蔽层与机箱 之间搭接•屏蔽体上不同部分 之间的搭接• 滤波器与机箱之间的搭接• 不同机箱之间的地线搭接

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第 52 页

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STOPSTOP

搭接不良的滤波器

滤波器接地阻抗预期干扰电流路径

实际干扰电流路径

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第 53 页

RETNRETN

STOPSTOP

搭接不良的机箱

V

I

航天飞行器上的搭接阻抗要小 于 2.5m!

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第 54 页

RETNRETN

STOPSTOP

搭接阻抗的测量

机柜

~

搭接阻抗

频率

寄生电容 导线电感 并联谐振点

V

IZ = V / I

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第 55 页

RETNRETN

STOPSTOP

不同的搭接条

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第 56 页

RETNRETN

STOPSTOP

频率不同搭接方式不同

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第 57 页

RETNRETN

STOPSTOP

搭接点的保护

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第 58 页

RETNRETN

STOPSTOP

双绞线和金属屏蔽线

抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线； 抑制电磁感应干扰采用双绞线

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第 59 页

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STOPSTOP

金属屏蔽线

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第 60 页

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STOPSTOP

双绞线的节距

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第 61 页

RETNRETN

STOPSTOP

双绞线的接地与传送距离

传送距离在 5米以下

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第 62 页

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STOPSTOP

双绞线的接地与传送距离

传送距离在 10米以上

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第 63 页

RETNRETN

STOPSTOP

屏蔽线的抗干扰原理

屏蔽层不接地： VN = VS =V1 [ C1S / ( C1S + C2G ) ] ，与无屏蔽相同

屏蔽层接地时： VN = VS = 0 ， 具有理想的屏蔽效果

C1s

C1G

C2G

C1G C2G

C1s

VsV1

V1Vs

C2S

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第 64 页

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STOPSTOP

屏 蔽 要 点

静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。

电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。

在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。

解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。

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第 65 页

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STOPSTOP

滤波

滤波器的作用 滤波器的种类 信号滤波器的安装位置 滤波器的正确安装

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第 66 页

RETNRETN

STOPSTOP

滤波器的概念

无源滤波器 有源滤波器 数字滤波器 衰减系数

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第 67 页

RETNRETN

STOPSTOP

滤波器的作用

信号滤波器

电源滤波器

切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同 构成完善的干扰防护。

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第 68 页

RETNRETN

STOPSTOP

满足电源线干扰发射和抗扰度要求

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第 69 页

RETNRETN

STOPSTOP

满足抗扰度及设备辐射发射要求

信号线滤波器

干扰源

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第 70 页

RETNRETN

STOPSTOP

开关电源噪声

• 50Hz的奇次谐波（ 1 、 3 、 5、 7 ）• 开关频率的基频和谐波（ 1MHz以下差

模为主， 1MHz以上共模为主）

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第 71 页

RETNRETN

STOPSTOP

滤波器的种类

衰减 衰减

衰减 衰减

低通

带通

高通

带阻

3dB

截止频率

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第 72 页

RETNRETN

STOPSTOP

低通滤波器类型

C T

L 反

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第 73 页

RETNRETN

STOPSTOP

滤波器的选择

根据阻抗选用滤波电路 器件参数的确定 低通滤波器对脉冲信号的影响

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第 74 页

RETNRETN

STOPSTOP

根据阻抗选用滤波电路

源阻抗 电路结构 负载阻抗 高 C 、、多级 高 高 、多级 低 低 反、多级反 高 低 L 、多级 L 低

规律：电容对高阻，电感对低阻

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第 75 页

RETNRETN

STOPSTOP

器件参数的确定

L

CR R

L = R / 2FC C = 1 / 2RFC对于T形（多级T）和 形（多级）电路，最外边的电感或电容取 L/2 和 C/2 ，中间的不变。

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第 76 页

RETNRETN

STOPSTOP

实际电容器的特性

ZC

实际电容

理想电容

f

引线长 1.6mm 的陶瓷电容器

电容量 谐振频率 (MHZ)

1 F 1.7

0.1 F 4

0.01F 12.6

3300 pF 19.3

1100 pF 33

680 pF 42.5

330 pF 60

1/2 LC

C L

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第 77 页

RETNRETN

STOPSTOP

陶瓷电容谐振频率

1nf

1M

100k

10

1

0.1

10k

1k

100

10Hz 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G

阻抗

100pf

10nf

100nf

10f1f

10mf

100f

1m

10cm

1cm

1mm

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第 78 页

RETNRETN

STOPSTOP

温度对陶瓷电容容量的影响

0.15

-0.15

0

-55 125

5

-15

0

-55 125

-10

-5COG

X7R

-60

20

-30 90

-30

0

Y5V

30

%C

%C

%C

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第 79 页

RETNRETN

STOPSTOP

电压对陶瓷电容容量的影响

COG

X7R

Y5V

20

0

-20

-40

-60

-800 20 40 60 80 100

%额定电压（Vdc）

%C

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第 80 页

RETNRETN

STOPSTOP

实际电感器的特性ZL

理想电感实际电感

f 电感量 （ H）

谐振频率 (MHZ)

3.4 45

8.8 28

68 5.7

125 2.6

500 1.2

绕在铁粉芯上的电感

1/2 LC

L

C

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第 81 页

RETNRETN

STOPSTOP

电感寄生电容的来源

每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容 CTC

磁芯为导体时， CTC 为主要因素，

磁芯为非导体时， CTT 为主要因素。

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第 82 页

RETNRETN

STOPSTOP

克服电容非理想性的方法

衰减

电容并联 LC 并联 电感并 联

小电容大电容 并联电容

频率

大容量 小容量

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第 83 页

RETNRETN

STOPSTOP

三端电容器的原理

引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器

在引线上安装两个磁珠滤波效果更好

地线电感起着不良作用

三端电容普通电容

30 70 1GHz

20

60

40

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第 84 页

RETNRETN

STOPSTOP

三端电容的正确使用

接地点要求：

1 干净地

2 与机箱或其它较大

的金属件射频搭接

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第 85 页

RETNRETN

STOPSTOP

三端电容器的不足

寄生电容造成输入端、输出端耦合

接地电感造成旁路效果下降

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第 86 页

RETNRETN

STOPSTOP

穿心电容更胜一筹

金属板隔离输入输出端

一周接地电感很小

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第 87 页

RETNRETN

STOPSTOP

穿心电容、馈通滤波器

以穿心电容为基础的馈通滤波器

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第 88 页

RETNRETN

STOPSTOP

馈通滤波器使用注意事项

• 必须安装在金属板上，并在一周接地• 最好焊接，螺 纹安装时要使用带齿垫片• 焊接时间不能过长• 上紧螺纹时扭矩不能过大

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第 89 页

RETNRETN

STOPSTOP

线路板上使用馈通滤波器

线路板地线面

上面

底面

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第 90 页

RETNRETN

STOPSTOP

减小电感寄生电容的方法

然后：

1. 起始端与终止端远离（夹角大于 40度）

2. 尽量单层绕制，并增加匝间距离

3. 多层绕制时， 采用“渐进”方式绕，不要来回绕

4. 分组绕制 （要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）

如果磁芯是导体，首先：

用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离

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第 91 页

RETNRETN

STOPSTOP

共模扼流圈

共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。

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第 92 页

RETNRETN

STOPSTOP

电感磁芯的选用

铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯

铁氧体：最常用锰锌： r = 500 ~ 10000， R = 0.1~100m镍锌： r = 10 ~ 100，R = 1k ~ 1Mm

超微晶： r > 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心

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第 93 页

RETNRETN

STOPSTOP

干扰抑制用铁氧体

Z = jL + R

R

Z

L R(f)

1MHz 10MHz 100MHz 1000MHz

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第 94 页

RETNRETN

STOPSTOP

低通滤波器对脉冲信号的影响

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第 95 页

RETNRETN

STOPSTOP

信号滤波器的安装位置

板上滤波器

无屏蔽的场合

滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端。

有屏蔽的场合：在屏蔽界面上

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第 96 页

RETNRETN

STOPSTOP

板上滤波器的注意事项

滤波器要并排安装

线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接

为滤波设置干净地

在接口处设置档板滤波器靠近接口

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第 97 页

RETNRETN

STOPSTOP

面板上滤波的简易（临时）方法

容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短

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第 98 页

RETNRETN

STOPSTOP

电缆滤波的方法

屏蔽盒

馈通滤波器

连接器

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第 99 页

RETNRETN

STOPSTOP

自制面板滤波器

滤波电路可以按照需要设计，但是至少有一级馈通滤波器

连接器按照需要选择，也可以是引线

锡焊，保证完全隔离 螺纹盲孔

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面板安装滤波器注意事项

滤波器与面板之间必须使用电磁密封衬垫！

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使用形滤波器的注意事项

滤波器接地阻抗预期干扰电流路径

实际干扰电流路径

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滤波器的正确安装

滤波器

PCB

电源

PCB

滤波电路

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滤波器安装在线路板的问题

电源线泄漏严重

机箱内干扰

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线路板上滤波的改进方法

电源线无泄漏

机箱内干扰

被滤波器挡住被滤波器旁路掉

面板滤波器

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电源线滤波器的错误安装

PCB

滤波器

滤波器

输入线过长

输入、输出耦合

PCB

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电源线滤波器的错误安装

滤波器

绝缘漆

PCB

滤波器通过细线接地，高频效 果很差！

接地线

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这样试一试

机箱外

机箱内

屏蔽箱

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还要注意的一个小问题