CN107359866A - 一种一体式低通滤波模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体式低通滤波模块，包括若干个滤波单元，每个滤波单元均包括电感组件以及设置在电感组件两端外侧的接头和套筒，套筒能够配合套接在接头上，电感组件的两端分别与接头和套筒相连；电感组件和套筒的外侧套接电容组件，接头凸出至电容组件的端部外侧；电感组件的外侧面通过设置非绝缘部位与电容组件的内侧面相连。本发明充分利用电容内部空间，实现了体积的最小化，结构简单，组装方便，克服了传统滤波器需要将分立元件焊接在电路板上，节省了空间，实现了滤波器的小型化。通过设置相配合的接头和套管，使得本发明能够通过级联的方式来增大阶数提高滤波性能，实现了滤波器的一体化和模块化。

Description

一种一体式低通滤波模块

技术领域

本发明涉及滤波器领域，具体涉及一体式低通滤波模块。

背景技术

滤波器是电磁防护的核心，低通滤波器一般由电感和电容组成，可以对电源线上某一特定频点以外的频率的干扰进行滤除，开关器件工作频率的日益提高会引发严重的电磁干扰，对设备本身及其周围设备的正常工作造成影响,通过电源线路中加装电源滤波器可以改善电源模型，滤出一部分干扰，保护电路的稳定运行。目前在电源和通讯设备等领域中应用广泛。

传统的无源低通滤波器是用铜导线将分立的电感和电容在电路板上焊接而成的，在低频时能够有效滤出干扰信号，但随着频率的升高，分立元件的寄生参数会逐渐显示出来，严重影响滤波器的高频滤波性能。此外，分立元件组成的滤波器一般由共模、差模电感和电容组成单级或多级滤波网络，由于传统的独立电容和电感焊接电路体积较大，在安装空间受限的情况下将无法实施，而且也不满足现在电子产品对小型化和集成化的要求。对于传统的EMI滤波器，因其元器数量多、体积大、引线长等，导致其空间利用率低，阻碍了电源功率密度的提高，其较长的引线造成的分布电感和分布电容对高频滤波特性也有很大的影响。

随着电磁兼容标准的不断完善，同时电子器件对小型化、模块化的要求越来越高，对滤波器的体积、性能提出了更高的要求。另外由于目前电源滤波器主要存在低频段滤波特性差，高频段易耦合难以滤除的问题，最高的有效滤波频率只能达到30MHz，并且滤波器体积庞大，安装困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种一体式低通滤波模块，利于实现滤波器的一体化和模块化。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括若干个滤波单元，每个滤波单元均包括电感组件以及分别与电感组件两端相连的接头和套筒，套筒能够配合套接在接头上；电感组件和套筒的外侧套接电容组件，接头凸出至电容组件的端部外侧；电感组件的外侧面通过设置非绝缘部位与电容组件的内侧面相连。

进一步地，电感组件包括棒状磁芯和绕在棒状磁芯上的漆包铜线；漆包铜线的两端分别连接接头和套筒；漆包铜线的中部或一端去掉绝缘层且和电容组件的内侧面相连，形成T型电路结构或L型电路结构。

进一步地，漆包铜线采用圆形铜线或扁平铜线；漆包铜线采用单层密绕的方式绕在棒状磁芯上。

进一步地，电容组件为圆柱环形结构，包括从内向外依次套设的内侧极板层、介质层和外侧极板层。

进一步地，内侧极板层比外侧极板层至少短2mm。

进一步地，介质层的材质为高频陶瓷，内侧极板层和外侧极板层的材质均为银。

进一步地，接头采用螺纹接头，套筒的内孔采用螺纹孔。

进一步地，接头和电容组件之间，以及套筒与电容组件之间均采用环氧树脂固定封装。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过将电容组件套设在电感组件外部，将滤波器无源元件电感和电容元件集成在一体化单元当中，充分利用电容内部空间，实现了体积的最小化，结构简单，组装方便，克服了传统滤波器需要将分立元件焊接在电路板上，节省了空间，实现了滤波器的小型化。通过设置相配合的接头和套管，使得本发明能够通过级联的方式来增大阶数提高滤波性能，实现了滤波器的一体化和模块化，具有很好的应用前景。本发明滤波模块级联后能够形成自屏蔽结构，滤波器在高频段(≥100MHz)仍然有60dB以上的插入损耗，对电磁干扰的有效滤除频率达到200MHz以上；本发明滤波模块可以主要应用在对电源纯净度要求极高的军工及实验室的电源滤波器当中，由于滤波模块高性能的滤波特性，电容电感值易调节的设计可以满足不同的滤波要求，有效滤除电源线路的电磁干扰。

进一步地，本发明通过采用棒状磁芯，方便进行线圈绕线，更加方便自动化，降低成本，而且棒状磁芯不易饱和，滤波性能更加稳定；通过形成T型电路结构或L型电路结构，能够满足不同的负载阻抗，且通过模块的级联可以形成如π型、L型或T型等各种滤波电路，从而实现滤波模块的更广泛应用。

进一步地，本发明通过采用扁平铜线，利于多绕线，提升了电感的电感量，增大了滤波模块的滤波频段，并且有利于更好的散热，另外单层密绕的方式减少了层数，减小了几声电容，增加了散热面积，同样提高了产品的滤波性能。

进一步地，本发明电容组件为圆柱环形结构，可以有效增加电容量，最大程度降低寄生电感值并且节省了内部空间。

进一步地，本发明内侧极板层比外侧极板层至少短2mm，保证模块串联时内部电气绝缘，达到耐压要求。

进一步地，本发明介质层采用高频陶瓷材料，提高了电容的高频性能，从而提高本发明的滤波特性。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明的等效电路示意图；

图3为图1中电感组件示意图；

图4为图1中电容组件示意图；

图5为本发明两级级联示意图；

图6为本发明两级级联等效电路示意图；

图7是本发明模块级联组成5阶低通滤波器的低频插入损耗测试图；

图8是本发明模块级联组成5阶低通滤波器的高频插入损耗测试图。

其中：1、滤波单元；2、接头；3、电感组件；31、棒状磁芯；32、漆包铜线；33、焊接点；4、电容组件；41、介质层；42、内侧极板层；43、外侧极板层；5、套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1至图4所示，本发明包括若干个滤波单元1，每个滤波单元1均包括电感组件3和电容组件4，电感组件3两端分别设置接头2和套筒5，套筒5能够配合套接在接头2上；电感组件3和套筒5的外侧套接电容组件4，接头2凸出至电容组件4的端部外侧。

电感组件3设置在电容组件4的内部，电感组件3包括棒状磁芯31和绕在棒状磁芯31上的漆包铜线32；棒状磁芯31镶嵌设置在漆包铜线圈中，漆包铜线32的两端分别连接接头2和套筒5。

漆包铜线32采用圆形铜线或扁平铜线；漆包铜线32采用单层密绕的方式绕在棒状磁芯31上。如图3所示，电感组件3的漆包铜线圈可以借助绕线设备进行线圈绕线，相对于传统的圆环磁芯选择棒状磁芯31要更加方便自动化，降低成本，而且棒状磁芯31不易饱和，滤波性能更加稳定，在本发明中采用的是圆形铜线，优选的，可以采用扁平铜线，扁平铜线相对于圆形铜线的优点是可以通过改变了线的形状，比一般的圆铜能多绕约3倍，从而提升了电感的电感量，增大了滤波模块的滤波频段，并且有利于更好的散热，另外采用单层密绕的方式减少了层数，减小了寄生电容，增加了散热面积，同样提高了产品的滤波性能。

电容组件4为圆柱环形结构，包括从内向外依次套设的内侧极板层42、介质层41和外侧极板层43。介质层41的材质为高频陶瓷材料，内侧极板层42和外侧极板层43是在介质层41两侧镀银形成，提高电导率，增大屏蔽性能；也可以镀铬等金属。

电容组件4采用圆柱环型结构可以有效增加电容量最大程度降低寄生电感值并且节省了内部空间，介质层41采用高频磁介质提高了电容的高频性能，从而提高一体化滤波模块的滤波特性。介质层41两侧镀银，形成电容两极，电容组件内侧极板层42要略短于外侧极板层43，至少短2mm，为了模块串联时内部电气绝缘，达到耐压要求。

漆包铜线32的中部或一端(初始端或者末端)去掉绝缘层后的部分铜线和电容组件4上内侧极板层42的内侧面焊接，形成焊接点33，电感组件3与电容元件4通过焊接点33与内侧极板层42相连形成T型电路结构或L型电路结构，以满足不同的负载阻抗。通过模块的级联可以形成如π型、L型或T型等各种滤波电路，从而实现滤波模块的更广泛应用。

接头2采用螺纹接头，套筒5的内孔采用螺纹孔，接头2为圆柱螺母型接头，内径和深度正好与套筒5的螺纹孔匹配。

接头2和电容组件4之间，以及套筒5与电容组件4之间均采用环氧树脂固定封装。

本发明主要的工作过程及原理：

如图4所示，电容组件4外侧极板层43为接地极，因此可以将外部设备端直接与滤波模块的外侧极板层43相连，让连接器引线在电容背部做滤波处理，因而屏蔽效果好，然后再通过滤波单元1两侧的接头2或套筒5输出，能够有效滤除电源线上的干扰信号，提升滤波效果，节省了设备空间，安装方便。

如图5和图6所示，本发明提供的一体式低通滤波模块中，接头2可以与另一个相同规格的一体式低通滤波模块的套筒5的螺纹孔相连，两个模块的外侧极板层43导通，两个模块内部电感组件3首尾相接，通过级联的方式来增大阶数提高滤波性能，满足不同线路的滤波要求，实现了滤波器的模块化。

仿真实验

利用本发明中的滤波模块制作三阶低通滤波器，由插入损耗曲线可知，在13.65MHz滤波器插损达到90.8dB，并且从13.65MHz到109.7Hz插损一直保持在90dB以上，具有很好的高频滤波特性。

与普通电容电感制作的低通滤波器做对比：普通电容电感由于高频寄生参数的影响，在4.53MHz时最大插损达到60dB。

由此可知，CBB电容由于引线电感以及材料高频特性差的影响，在4.28MHz插损达到最高60dB，在106MHz插损曲线逐渐上升达到40dB。采用本发明结构体电容制作的滤波器高频特性稳定，在13.65MHz插损达到90dB，在230MHz逐渐上升到40dB。结构体滤波模块最大程度的减小了高频寄生电感，增大了电容量，并且可以利用多个模块级联提高滤波性能，实现了滤波器的一体化和模块化。

由于滤波模块的易级联特点，对模块样品级联组成5阶低通滤波器，对低通滤波模块进行插入损耗测试，测试结果如图7和图8所示。

参见图7，对低频测试结果可以看出，滤波器的截止频率点为插入损耗曲线在截止频率以上迅速下降，因此通过电容电感的计算低通滤波模块的设计，可以实现对特定频段的滤波，并且滤波模块易级联形成高阶低通滤波器，在低频段实现高插损，满足性能指标。

参见图8，对高频测试结果可以看出，因为滤波模块的自屏蔽结构，滤波器在高频段(≥100MHz)仍然有60dB以上的插入损耗，对电磁干扰的有效滤除频率达到200MHz以上。这是目前所有的电源滤波器都难以达到的高频特性，因此本滤波器结构在电源线路的低高频率电磁干扰频段均有超高的滤波效果。

滤波器的截止频率点为通过对低通滤波器中电容模块与电感模块的设计计算，可以制作出满足各种滤波要求的电源低通滤波器。本发明滤波模块易级联形成高阶低通滤波器，在低频段实现高插入损耗，达到高性能的低通滤波特性。

本发明提供一种一体式低通滤波模块，能够将滤波器无源元件电感和电容元件集成在一体化单元当中，克服了传统滤波器需要将分立元件焊接在电路板上，节省了空间，实现了滤波器的小型化。电容组件选用的介质为高频陶瓷，具有良好的高频特性，减小了高频寄生参数，从而提高了滤波器的高频性能。滤波器模块化的拼接设计使得一体式低通滤波模块可以通过级联的方式来增大滤波阶数达到不同的线路滤波要求。

本发明充分利用电容内部空间，实现了体积的最小化，结构简单，组装方便。同时电容组件采用高频陶瓷介质保证了优良的高频滤波性能，两侧的螺纹接头设计使得一体式低通滤波模块可以通过级联的方式来增大阶数提高滤波性能，实现了滤波器的一体化和模块化，具有很好的应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种一体式低通滤波模块，其特征在于：包括若干个滤波单元(1)，每个滤波单元(1)均包括电感组件(3)以及分别与电感组件(3)两端相连的接头(2)和套筒(5)，套筒(5)能够配合套接在接头(2)上；电感组件(3)和套筒(5)的外侧套接电容组件(4)，接头(2)凸出至电容组件(4)的端部外侧；电感组件(3)的外侧面通过设置非绝缘部位与电容组件(4)的内侧面相连。

2.根据权利要求1所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：电感组件(3)包括棒状磁芯(31)和绕在棒状磁芯(31)上的漆包铜线(32)；漆包铜线(32)的两端分别连接接头(2)和套筒(5)；漆包铜线(32)的中部或一端去掉绝缘层且和电容组件(4)的内侧面相连，形成T型电路结构或L型电路结构。

3.根据权利要求2所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：漆包铜线(32)采用圆形铜线或扁平铜线；漆包铜线(32)采用单层密绕的方式绕在棒状磁芯(31)上。

4.根据权利要求1所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：电容组件(4)为圆柱环形结构，包括从内向外依次套设的内侧极板层(42)、介质层(41)和外侧极板层(43)。

5.根据权利要求4所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：内侧极板层(42)比外侧极板层(43)至少短2mm。

6.根据权利要求4所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：介质层(41)的材质为高频陶瓷，内侧极板层(42)和外侧极板层(43)的材质均为银。

7.根据权利要求1所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：接头(2)采用螺纹接头，套筒(5)的内孔采用螺纹孔。

8.根据权利要求1所述的一种一体式低通滤波模块，其特征在于：接头(2)和电容组件(4)之间，以及套筒(5)与电容组件(4)之间均采用环氧树脂固定封装。