濾波器簡介
提供TDK-Lambda電源濾波器
濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號。
濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。換句話說，凡是可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)都稱之為濾波器。濾波器，是對波進(jìn)行過濾的器件。波是一個(gè)非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，波被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時(shí)間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，稱之為各種物理量的時(shí)間波形，或者稱之為信號。因?yàn)樽宰兞繒r(shí)間是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時(shí)間信號，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。
濾波是信號處理中的一個(gè)重要概念，在直流穩(wěn)壓電源中濾波電路的作用是盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。
濾波器的主要參數(shù)
中心頻率（Center Frequency）：濾波器通帶的頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。窄帶濾波器常以插損最小點(diǎn)為中心頻率計(jì)算通帶帶寬。
截止頻率（Cutoff Frequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。通常以1dB或3dB相對損耗點(diǎn)來標(biāo)準(zhǔn)定義。相對損耗的參考基準(zhǔn)為：低通以DC處插損為基準(zhǔn)，高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準(zhǔn)。
通帶帶寬：指需要通過的頻譜寬度，BW=（f2-f1）。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn)。
插入損耗（Insertion Loss）：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內(nèi)插損需強(qiáng)調(diào)。
紋波（Ripple）：指1dB或3dB帶寬（截止頻率）范圍內(nèi)，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動(dòng)的峰值。
帶內(nèi)波動(dòng)（Passband Ripple）：通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動(dòng)是1dB。
帶內(nèi)駐波比（VSWR）：衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。理想匹配VSWR=1：1，失配時(shí)VSWR>1。對于一個(gè)實(shí)際的濾波器而言，滿足VSWR<1.5：1的帶寬一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關(guān)。
回波損耗（Return Loss）：端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝（dB）數(shù)，也等于20Log10為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時(shí)回波損耗為無窮大。
阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制的越好。通常有兩種提法：一種為要求對某一給定帶外頻率fs抑制多少dB，計(jì)算方法為fs處衰減量；另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)矩形系數(shù)（KxdB>1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可為40dB、30dB、20dB等）。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作難度當(dāng)然也就越大。
延遲（Td）：指信號通過濾波器所需要的時(shí)間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導(dǎo)數(shù)，即Td=df/dv。
帶內(nèi)相位線性度：該指標(biāo)表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的相位線性度。
濾波器主要分類
按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。
按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器五種。
低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；
高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；
帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲；
帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過，又稱為陷波濾波器。
全通濾波器：全通濾波器是指在全頻帶范圍內(nèi)，信號的幅值不會(huì)改變，也就是全頻帶內(nèi)幅值增益恒等于1。一般全通濾波器用于移相，也就是說，對輸入信號的相位進(jìn)行改變，理想情況是相移與頻率成正比，相當(dāng)于一個(gè)時(shí)間延時(shí)系統(tǒng)。
按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。
根據(jù)濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。
板上濾波器安裝在線路板上，如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是高頻濾波效果欠佳。其主要原因是：
1、濾波器的輸入與輸出之間沒有隔離，容易發(fā)生耦合；
2、濾波器的接地阻抗不是很低，削弱了高頻旁路效果；
3、濾波器與機(jī)箱之間的一段連線會(huì)產(chǎn)生兩種不良作用： 一個(gè)是機(jī)箱內(nèi)部空間的電磁干擾會(huì)直接感應(yīng)到這段線上，沿著電纜傳出機(jī)箱，借助電纜輻射，使濾波器失效；另一個(gè)是外界干擾在被板上濾波器濾波之前，借助這段線產(chǎn)生輻射，或直接與線路板上的電路發(fā)生耦合，造成敏感度問題；
濾波陣列板、濾波連接器等面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機(jī)箱的金屬面板上。由于直接安裝在金屬面板上，濾波器的輸入與輸出之間完全隔離，接地良好，電纜上的干擾在機(jī)箱端口上被濾除，因此濾波效果相當(dāng)理想。
常用濾波器
數(shù)字濾波器
數(shù)字濾波器是與模擬濾波器相對應(yīng)的，我們在常用的離散系統(tǒng)中， 使用數(shù)字濾波器。它的主要作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性，在這里 時(shí)間就是一個(gè)變量，然后在對外部輸入的信號，進(jìn)行處理，這里的輸 入信號一般都是廣義上的波形型號，信號可以是電壓、電流、功率等。 當(dāng)然也有類似于頻率等這種。在實(shí)際的操作中，我們也可以把輸入的信號波形變成輸出，也就是將輸入和輸出倒置。從而實(shí)現(xiàn)我們將信號的頻譜修改的目的。
實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段
數(shù)字濾波器有多種方式可以實(shí)現(xiàn)信號的處理，我們介紹在實(shí)際中使用最多的兩種，一種是我們集成電路的方式將集成電路的各種元 器件組成一個(gè)專用的設(shè)備，這種設(shè)備稱之為數(shù)字信號處理機(jī)，類似于arm架構(gòu)或者單片機(jī)架構(gòu)的數(shù)字處理機(jī)就是我們常用的一種，這種方式對于成套批量的需求商用價(jià)值比較高，因?yàn)樵靸r(jià)成本比較低，受到了市場的歡迎；另一種就是使用我們平常使用的x86/x64的商用或者工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真，這個(gè)完全是使用應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真的，這種方式也在實(shí)驗(yàn)室或者大型的數(shù)字濾波項(xiàng)目中使用，這種方式成本較高，不適宜與大批量的生產(chǎn)與配套。但是在實(shí)驗(yàn)室是最好的一種模擬方式，在高階模擬和運(yùn)算中有非常大的優(yōu)勢。
數(shù)字濾波器的對比
數(shù)字濾波器現(xiàn)在主要有兩種，一種是IIR，我們稱之為無限的沖激響應(yīng)濾波器，另外一種是FIR，這種濾波器是與IIR相對應(yīng)的，這個(gè)是有限的沖激響應(yīng)濾波器。兩個(gè)系統(tǒng)都是有各自的特點(diǎn)的，F(xiàn)IR的濾波器是沒有閉環(huán)的反饋的環(huán)路信號，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，可以實(shí)現(xiàn)比較嚴(yán)格的線性方程的相位的計(jì)算，一般情況下相位的要求不嚴(yán)格一 般不會(huì)使用這個(gè)濾波器，相反的話，會(huì)采用這種濾波器。當(dāng)然在很多的場景下面，我們要對信號進(jìn)行一些實(shí)時(shí)的處理，當(dāng)現(xiàn)場的信號數(shù)據(jù)越來越多的情況下，我們對硬件的性能要求就越來越高，市面上很多的單片機(jī)已經(jīng)無法滿足我們實(shí)際的功能需求，一般的8位的16位的乃至32位的單片機(jī)以及ARM芯片已經(jīng)不能在對算法進(jìn)行支撐，由于專門為數(shù)字處理設(shè)計(jì)的DSP控制器的出現(xiàn)，提高了我們?yōu)V波器的效率，DSP很多情況下可以使用多組總線的方式，并行處理多組實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，獨(dú)立的一些算法器充分的使用大大提高了我們?yōu)V波器的效率。對于硬件上的短板完全可以由DSP的芯片進(jìn)行彌補(bǔ)，做到對數(shù)字信號的實(shí)時(shí)處理與計(jì)算。DSP與普通的微處理器相比有很大的數(shù)字信號的處理優(yōu)勢，他是單片機(jī)以及ARM的繼承，為信號處理做了一些局部的開發(fā)和改進(jìn)，大大的增強(qiáng)了數(shù)字處理的能力，它有特定的數(shù)據(jù)流程格式、有特定的算法器，有特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為解決復(fù)雜的數(shù)字信號的處理提供了很多優(yōu)越的條件和基礎(chǔ)，通過對DSP的編程可以實(shí)現(xiàn)IIR濾波器。 FIR濾波器實(shí)際上有一定的缺陷，這類系統(tǒng)只有零點(diǎn)，它不會(huì)跟IIR系統(tǒng)的那樣容易獲取比較好衰減的特性，但是也有更加明顯的優(yōu)勢。他是通過非硬件電路實(shí)現(xiàn)的，相比硬件電路實(shí)現(xiàn)濾波器主要優(yōu)點(diǎn)有很多，例如，效率很高、有極點(diǎn)、有反饋等。
程控濾波系統(tǒng)
程控濾波系統(tǒng)是在傳統(tǒng)濾波器的不足中提出的，傳統(tǒng)濾波器在工作時(shí)產(chǎn)生誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。低精度的濾波器在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，而且傳統(tǒng)濾波器對波形要求越高就意味著需要跟多的運(yùn)放，這是非常麻煩的。所以程控濾波器的數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，可以有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn) 效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。
無源濾波器
無源濾波器是利用電阻、電抗器和電容器元器件構(gòu)成的濾波電路。諧振頻率時(shí)，電路阻抗值最小，非諧振頻率時(shí)，電路阻抗比很大，將電路元器件數(shù)值調(diào)整到某一特征諧波頻率，則能濾除該次諧波電流；當(dāng)若干諧波頻率的調(diào)諧電路組成在一起，則能濾除對應(yīng)的特征諧波頻率，通過低阻抗旁路實(shí)現(xiàn)對主要次數(shù)諧波（3、5、7）的過濾。主要原理就是針對不同次數(shù)諧波，設(shè)計(jì)該諧波頻率的阻抗為很小，實(shí)現(xiàn)諧波電流的分流效應(yīng)，即為預(yù)濾除的高次諧波提供旁路通道，實(shí)現(xiàn)凈化波形。
無源濾波器按接線形式可分為電容濾波器、電廠濾波電路、L型RC濾波電路、形RC濾波電路、多節(jié)形RC 濾波電路、形LC濾波電路。按功能可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器。無源濾波器具有如下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu) 形式簡單、投資費(fèi)用低，能夠補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功分量、改善電網(wǎng)功率因數(shù)；工作穩(wěn)定性較高、維護(hù)簡單、技術(shù)成熟等，在有源濾波器出現(xiàn)以前被廣泛采用。無源濾波器的缺點(diǎn)也有很多方面：受電網(wǎng)參數(shù)的影響較大，系統(tǒng)阻抗值和主要次數(shù)諧振頻率往往隨著工況發(fā)生變化；諧波濾除的頻帶也較窄，只能濾除主要次數(shù)的諧波，或因發(fā)生并聯(lián)諧振，放大一些次數(shù)的諧波；濾波和無功補(bǔ)償及調(diào)壓之間的協(xié)調(diào)較困難 ；隨著流經(jīng)濾波器的電流升高，可能造成設(shè)備過負(fù)荷運(yùn)行；耗材多，重量和體積都較大；運(yùn)行穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。因此，整體性能更優(yōu)的有源濾波器得到越來越多的應(yīng)用。
有源濾波器
有源濾波器主要作用不僅能動(dòng)態(tài)追蹤并抑制諧波，而且可以補(bǔ)償電網(wǎng)中較低的無功分量。它能夠?qū)Ψ岛皖l率都波動(dòng)的高次諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償，以及對變化的系統(tǒng)無功分量進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，克服了傳統(tǒng)型式諧波治理方案和無功補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，達(dá)到了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)男Ч?。APF的基本原理是檢測當(dāng)前系統(tǒng)的電壓和電流信號，通過指令電流運(yùn)算電路的運(yùn)算，產(chǎn)生補(bǔ)償電流信號，并將其指令由補(bǔ)償電流發(fā)生電路按諧波信號放大，從而得到補(bǔ)償電流，再與系統(tǒng)中的高次諧波分量及無功等電流抵消，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)波形的正弦化，濾除電網(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量。有源濾波器和無源濾波器的區(qū)別，在于需要電源供電，且既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功。指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路是有源濾波器的兩個(gè)重要組成部分。指令電流運(yùn)算電路的作用是檢測出系統(tǒng)所需補(bǔ)償?shù)闹C波分量和無功分量等。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是按照上述檢測到的諧波分量和無功分量，發(fā)出補(bǔ)償電流指令，產(chǎn)生能夠抵消的補(bǔ)償電流，它主要由三部分構(gòu)成 ：電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路。
根據(jù)儲能元件的不同，有源濾波器可以分為電壓型有源濾波器和電流型有源濾波器。電壓型有源濾波器，因其損耗少、效率高，被廣泛使用。電流型有源濾波器，因損耗大、效率低，而較少采用。按照交直流電源可分為直流 APF 和交流 APF。按照電路拓樸結(jié)構(gòu)分類，可分為串聯(lián)型 APF、并聯(lián)型 APF 和串并聯(lián)型，以及APF和PPF的混合型使用方式。與無源濾波器相比，有源濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，可控性能非常強(qiáng)；具有自適應(yīng)功能，能夠動(dòng)態(tài)跟蹤和補(bǔ)償系統(tǒng)高次諧波；穩(wěn)定性高，不受系統(tǒng)阻抗影響，避免諧振的發(fā)生；能夠抑制閃變；補(bǔ)償系統(tǒng)不足的無功分量等。機(jī)柜式系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)設(shè)計(jì)細(xì)密，可隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求擴(kuò)容，可拓展性強(qiáng)，模塊化的配置方式和小巧的體積讓設(shè)計(jì)者有更多的選擇，并可最大程度節(jié)省用戶空間，可實(shí)現(xiàn)彈性的容量配置，支持后續(xù)現(xiàn)場容量擴(kuò)展。現(xiàn)場安裝和維修維護(hù)更是簡單拔插即可。 抽屜式結(jié)構(gòu)，能夠滿足用戶單獨(dú)對模塊設(shè)計(jì)，選用優(yōu)良的架構(gòu)形式，具備DSP處理能力，運(yùn)用大型可編程控制器操作，選用大功率電力電子組件，具有可外傳的通信端口，還可附于其他盤柜中獨(dú)立工作。
板上濾波器雖然對高頻的濾波效果不理想，但是如果應(yīng)用得當(dāng)，可以滿足大部分民用產(chǎn)品電磁兼容的要求。在使用時(shí)要注意以下事項(xiàng)：
如果決定使用板上濾波器，在布線時(shí)就要注意在電纜端口處留出一塊干凈地濾波器和連接器都安裝在干凈地上。通過前面的討論，可知信號地線上的干擾是十分嚴(yán)重的。如果直接將電纜的濾波電容連接到這種地線上，會(huì)造成嚴(yán)重的共模輻射問題。為了取得較好的濾波效果，必須準(zhǔn)備一塊干凈地。并與信號地只能在一點(diǎn)連接起來，這個(gè)流通點(diǎn)稱為橋，所有信號線都從橋上通過，以減小信號環(huán)路面積。
并排設(shè)置：同一組電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線的未濾波部分在起，已濾波部分在一起。否則，一根導(dǎo)線的耒濾波部分會(huì)將另一根導(dǎo)線的已濾波部分重新污染9使電纜整體濾波失效。
靠近電纜：濾波器與面板之間的導(dǎo)線的距離應(yīng)盡量短。必要時(shí)，使用金屬板遮擋一下，隔離近場干擾。
與機(jī)箱接：安裝濾波器的干諍地要與金屬機(jī)箱可靠地搭接起來，如果機(jī)箱不是金屬的，就在線路板下方設(shè)置一塊較大的金屬板來作為濾波地。干凈地與金屬機(jī)箱之間的搭接要保證很低的射頻阻抗。如有必要，可以使用電磁密封襯墊搭接，增加搭接面積，減小射頻阻抗。
接地線短：考慮到引腳的電感效應(yīng)，其重要性前面已討論，濾波器的局部布線和設(shè)計(jì)線路板與機(jī)箱（金屬板）的連接結(jié)構(gòu)時(shí)要特別注意。
