ch3 滤波设计 滤波设计包括：输入电源滤波   接口滤波  设计考虑：设计时时需要考虑噪声的频率，如电源滤波通常采用低通滤波器，滤除其中的高频噪声。 差模  共模 设备的电源线、信号线等通讯线、与其他外围设备通讯的线路至少有两根导线，作为供电或信号，此外之间还有地线。 干扰电压或电流分两种：  差模干扰：两根导线分别作为往返信号的回路；   幅度相等，相位相反的信号          与信号线的回路面积正比                                        共模干扰：两根导线做去路，地做返回路；          幅度相等，相位相同的信号          与信号线的长度正比 通常两根导线之间的间隔较小，导线与地线导体之间的距离比较大。所以若考虑从导线辐射的干扰，与差模电流插上的辐射相比，共模电流产生的辐射强度更大。 这两种干扰所形成的噪音有：辐射噪音和传导噪音两种 减小共模传导噪音： 减小共模传导噪音的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈、在地与导线之间并联电容器、组成LC滤波器进行滤波,滤去共模传导噪声。共模扼流圈是将电源线的零线和火线（或回流线和信号线）同方向绕在铁氧体磁芯上构成的,它对线间流动的差模信号电流和电源电流阻抗很小,而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗则很大。 减小共模辐射噪音： 通过在线路板上使用地线面来降低地线阻抗,在电缆的端口处使用LC低通滤波器或共模扼流圈。另外,尽量缩短电缆的长度和使用屏蔽电缆也能减小辐射。   双绞线中的差模信号 对纯差模信号而言,它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传送。如果这一对导线是均匀的缠绕,这些相反的电流就会产生大小相等,反向极化的磁场,使它的输出互相抵消。 在无屏蔽双绞线中,不含噪音的差模信号不产生射频干扰。 双绞线中的共模信号 共模电流ICOM在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容Cp到地返回。在这种情况下,电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消。共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场,它的作用正如天线一样。 在无屏蔽双绞线中,共模信号产生射频干扰。 3.1电阻电容电感选用的时候需要考虑其使用频率： 电阻会表现出一定的感性和容性，在极高频使用如GHZ时，寄生电容会产生破坏； 电容的选用应特别注意其使用频率，务必小于其自谐振频率Xc=1/2πfC，否则电容将表现出来感性，失去电容的作用； 电感的阻抗则直接和频率相关，用XL=2πfL来描述。   3.2共模电感 差模又称串模，指的是两根线之间的信号差值；而共模噪声又称对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声。 差模信号：幅度相等，相位相反的信号     共模信号：幅度相等，相位相同的信号   结构：共模电感线圈，绕制在同一铁芯上，匝数和相位相同，绕制方向相反。  作用——衰减共模电流：——共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波目的。   由于共模电感绕制以及两个绕组之间的间隙都形成了磁通泄露，并形成差模电感。因此共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。 在滤波器的设计过程中，可利用共模电感的漏感产生适量的差模电感，可起到对差模电流的抑制作用。有时还要认为增加共模扼流圈的漏电感，以提高差模电感量，达到更好的滤波效果。   3.3磁珠和磁环 特性：  磁珠的核心功能：吸收线路上的高频信号。 铁氧体磁珠-—低频时，电感小，线损小；高频时，表现出与频率相关的电抗性。铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。 高频电流在其中以热量形式散发        铁氧体磁珠是RF能量的高频衰减器。 可以用电感和电阻的并联解释铁氧体磁珠。低频时电感短路、高频时电流流经电阻。 铁氧体磁珠的磁导率越高，低频阻抗越大，高频阻抗越小。 磁环： 对于绕制的磁环，增加匝数会增加低频时的阻抗，但高频的阻抗也会相应的减小 与电感对比： 电感是在铁氧体材料外面绕线，磁珠是线材外面包裹铁氧体。 两者使用的区别：电感把高频信号反射回去，磁珠把高频信号吸收变成热量。 磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感则侧重于抑制传导性干扰 磁珠是用来吸收超高频信号，像一些RF电路、PLL、振荡电路、含超高频存储器电路（DDR SDRAM，RAMBUS等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHZ； 应用： 磁珠的两侧常与电容一起接地。这样便形成了一 个低通滤波器网络，进一步降低高频电源噪声。  可用于电源电路中滤除高频噪声（可用于直流和交流输出）    应用于信号电缆的噪声滤除        数字电路中，脉冲信号高次谐波过滤 磁珠不能用于射频信号和高速信号中。（滤高频） 选型： 铁氧体磁珠的单位是欧姆。 一般以100MHz为标准，比如600R@100MHz，意思就是在100MHz频率的时候磁珠的阻抗相当于600欧姆。 3.4滤波器 滤波器具有选频通过的特性。 如上图所示，一般的共模扼流圈（共模电感）只是滤除低频的共模干扰。高频时，由于寄生电容的存在，共模扼流圈效果较差。主要依靠共模滤波电容。但共模滤波电容存在一定的漏电流（安全需小于3.5MA，医用更小）。医用不能使用共模滤波电容，需提高扼流圈的高频特性。 插入损耗 插入损耗： 用dB表示  评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。 插入损耗越大越好 理想的滤波希望插入损耗能够覆盖除需求频率外，所有可能造成干扰的频率范围。   共模插入损耗     差模插入损耗 3.5浪涌保护   气体放电管、压敏电阻：  用于浪涌瞬态电压抑制   TVS管：   （电压钳位型瞬态抑制二极管） 利用器件的非线性特性，将电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。  过电压保护，保护电路免受大电压冲击        抑制反向的用单向TVS，有交流的用双向TVS 工作原理：一种二极管形式的高效能保护器件    。  当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。 TVS在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬态电压超过电路正常工作电压后，TVS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬态电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬态电流通过TVS被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后，当瞬态脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。 两种重要的瞬态电压：ESD 和 lightning雷击   ESD：静电释放会在数亿分之一秒内产生一个很高的瞬态电压，对电路系统破坏很大； 雷击：瞬间的高电压   应用：   将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源的浪涌电流及开关电源的噪音所导致的失灵             将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。 图1 交流电路的双向TVS        图2 避免晶体管被瞬变电压击穿损坏     图 3 集成运放对外界电压很敏感，为保护其 使用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路   图4 热插拔电路     TVS二极管选型参数： 1、最大反向工作电压VRWM略高于待保护电路最大的工作电压。VRWM>1.1Vmax；  不发生导通的最大工作电压 2、反向击穿电压VBR= VRWM /0.85；                   发生导通的电压 3、最大箝位电压VC：低于被保护电路所允许的最大承受电压。Vc(MAX)=1.30×V(BR)如果超过就保护不了了。  发生雪崩后的两端电压大值 注：TVS的选型     最大箝位电压VC要小于电路允许的最大安全电压。     截止电压VRWM大于电路的最大工作电压，一般可以选择VRWM等于或者略大于电路的最大工作电压。     额定的最大脉冲功率（TVS参数中给出） PM要大于最大瞬态浪涌功率。 待保护电路直流工作电压12V，浪涌源的阻抗50MΩ，其干扰波形为方波，TP=1MS ，最大峰值电流50A。 选择： 1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V，则击穿电压 ：     V(BR) =VRWM /0.85=15.3V    2、从击穿电压值选取最大箝位电压Vc(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V，取     Vc=20V 3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率：     PPR=VC×IP=20×50=1000W       从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W，变位电压VRWM=12.2V，击穿电压V(BR)=15.2V，最大箝位电压Vc=22.3V，最大浪涌电流IP=67.3A。可满足上述设计要求，而且留有一倍的余量，不论方波还是指数波都适用。 TSS管： 浪涌吸收能力较TVS管更强，可做防雷管使用，由于其导通特性接近于短路，因此其需和电阻配合使用。 TSS的原理等和TVS管类似，但使用时注意：其过电压击穿后，电流值需降到临界值之下，才能恢复开路，因此电路的常态电流需小于其临界恢复电流。 其击穿电压（1.2—1.5）Umax；     3.6  0R电阻 兼容性设计考虑，可以选择焊接，满足同一接口的不同信号需求 零欧姆电阻也可以当作短接跳帽使用 在多种类型地（如模拟地、数字地）的连接时，通常也会预留一个零欧姆电阻 增强系统的健壮性， 我们不能确定某个器件是否必须需要添加时，也可以预留一个零欧姆电阻的位置，很多产品都需要进行电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility, EMC）认证，也因此会在一些可能会产生EMI问题的电路支路上预留一些零欧姆电阻。 如上图所示，对于分割地的情况，可用0R电阻做跨接。   对电源电路的滤波处理：共模电感有详细叙述该部分 对接口电路的滤波处理： 电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线，也是外部干扰引入的通道，因此处理好与电缆相连接的接口电路对提高EMC防护效果而言至关重要。 接口电路设计包括： 接口滤波电路：减小系统通过接口及电缆对外产生辐射，抑制外界辐射和传导噪声对整机系统的干扰。                                接口保护电路 ：使电路可以承受一定的过电压、过电流； 同一接口连接器中的关键信号如：高速信号、差分信号、复位信号等，需用地针隔离。对同一连接器中的数字信号和模拟信号也应做此处理，对两信号之间采用地针做隔离。 所有信号都要做滤波处理，接入隔离滤波器    （穿心电容 ）