一文读懂：高频滤波器的结构、原理、高频性能以及应用设计

来源：JLE电路保护与器件更新时间：2024-07-13 阅读：

气体放电管、压敏电阻、TVS瞬态抑制二极管等器件均是并联于被保护物体，利用电压开关或电压钳位来实现对过电压幅值的降低，及干扰能量的吸收或转移，是抑制雷击电涌、静电放电、电力系统操作过电压的主要方法。然而，在一些弱电电子设备的应用场合，对瞬态过电压还可以利用串联抑制器件的方法，来进行防止故障扩大或串入的辅助保护。在这类器件中，正温度系数电阻、高频滤波器就是两种电子设备中常用的保护器件，下面对其中的高频滤波器的作用机理和应用进行简要介绍。

瞬态过电压脉冲具有一定的频谱分布，并且瞬态过程对应的频谱也相对高些，使用滤波技术可以衰减其高频成分，从而使过电压的时域峰值有一定程度的降低，起到抑制效果。比如，对于ESD放电脉冲或EFT电快脉冲过电压，其上升沿通常为1～5ns，高频频谱可达60～300MHz，利用很小的低通LC或RC滤波电路就可以取得较明显的抑制效果。因此。滤波也是一种高频瞬态脉冲的常用抑制方法。当然，滤波技术也不是对所有的脉冲过电压都适用。例如，雷击电涌过电压的上升时间通常为1～10μs，主要频谱分布多在300kHz以下，要取得明显的抑制效果，所需要的LC滤波参数就比较大，其体积、成本均较大，因而不适合大量运用。鉴于此，本文针对ESD、EFT等瞬态过电压抑制应用中的高频滤波技术及设计内容进行介绍。

基本结构和工作原理

ESD、EFT放电脉冲的频谱可达几百兆赫，通常远高于一般电子设备中电源线、信号线、控制线中正常工作电压、电流的频谱，因此，利用低通滤波器可对ESD、EFT幅值进行衰减。在高频滤波应用中，常用的滤波结构有L、LC、R、RC等电路，如图1所示。

图1 高频滤波常用结构

图2所示为高频滤波衰减的原理。图中显示了脉冲的频谱包络曲线、滤波器的输出/输入传递函数以及滤波后的频谱。可以看出，由于滤波器将脉冲电压的高频成分进行了有效衰减，输出脉冲的高频频谱大大减少，时域峰值也就有所降低，即起到了消减尖峰的作用。图3所示为几种分立和集成的ESD抑制电感、滤波器的实物图。

图2 高频滤波衰减的原理

图3 几种高频滤波器件实物图

滤波器的高频性能

ESD滤波器要取得良好的使用效果，需要满足以下几个方面的性能要求：一是对正常工作信号的影响要小，信号的衰减和畸变小；二是高频滤波性能要好，在几百兆赫时还能有效滤波；三是具有一定的功率容量来吸收脉冲能量。

图4 实际电感器的寄生参数及其高频模型

实际滤波器中使用的电感器、电容器都具有微小的非理想的寄生参数。这些参数在低频时，因数值小而对滤波器的性能影响不明显，但当频率在几兆赫以上时，就会恶化滤波器的高频滤波性能，使其远远偏离理想滤波器状态。图4（a）、（b）所示分别为实际电感器的寄生参数及其高频模型。电感器通常由线圈和磁心两部分组成。当存在外加电压时，线圈不同的线匝间会存在电压差，分布着电力线，该效应对外可等效为并联的电容EPC。因此，一个实际的电感器实质上是电感和电容的并联体。图4（c）所示为理想电感器和实际电感器的对数阻抗特性曲线，可见当频率超过电感和寄生电容并联的谐振点后，电感器对外呈现容性，即已不再是电感。寄生电容越大，谐振频率也越低，高频阻抗也越低。实际的电容器也类似地存在着寄生参数。通常，电容器的引线引脚、内部电极也不完全是理想平板分布，这些金属引线和弯曲的电极也存在微小的寄生电感ESL，因此一个实际的电容器实质上是电容和电感的串联体。图5（a）、（b）所示分别为实际电容器的外部结构及其高频模型。图5（c）所示为理想电容器和实际电容器的对数阻抗特性曲线，可见当频率超过电容和寄生电感串联谐振点后，电容器对外呈现感性，即已不再是电容。由此也可推知，如不能很好地控制寄生参数，则由电感器、电容器构成的LC低通滤波器在高频时就变成了高通滤波器，对ESD、EFT等尖峰脉冲就不能起到预期的衰减作用。

图5 实际电容器的寄生参数及其高频模型

对电容器来讲，一般通过使用无引脚的表面贴电容，选用低ESL的电容器件，安装时尽可能减短引脚长度等措施，可以保证电容器的高频性能。而对于电感器，要消除EPC则相对困难一些。设计者可通过选用低EPC电感器、分槽绕线或交错绕线等工艺来降低EPC。通常，电感阻抗对正常信号也常有影响，故在实践中，对于ESD、EFT等高频尖脉冲的抑制，还可以通过使用特殊材质的磁心电感器来进行。

图6 磁珠的磁导率-频率关系曲线

较理想的抗ESD用磁心材料应具有良好的高频磁导率，同时低频的磁导率不要太高，以起到低频通过、高频阻碍的作用。铁-镁合金或铁-镍合金的铁氧体材料就具有这样的特性，其制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色，通常制作成磁环或磁珠的形式（磁珠结构可参考图3中间的器件）。图6所示为磁珠典型的磁导率-频率关系曲线。图中的磁导率μ为复数，其中实部的磁导率μ′最终构成电感，虚部的磁导率μ″代表磁损耗，最终构成电阻。并且μ′随频率增加而迅速下降，μ″随频率增加而迅速增加。使用这种磁心做电感器时，导线通常仅有1～2匝，因而寄生电容很小。这种电感器的等效电路如图7所示，其由电感L和电阻R串联组成，只不过L和R都是频率的函数。磁珠电感的阻抗在整体上是随着频率的升高而增大的，并且在高频也保持着较大数值，如图8中Z-f曲线所示。但在不同频率时，其阻抗的组成是不同的。频率低时，阻抗主要由电感L（ω）构成，这时R（ω）很小；高频时，阻抗的感抗部分会因磁心的磁导率降低而减小，但是这时磁心的损耗增加，电阻R（ω）成分增加，并使磁珠总阻抗增加，此时，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转成热能形式而耗散掉。