电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

差模干扰是指两条电源线之间(wire to wire)的,主要通过选择合适的电容(X电容,也称安规电容),和差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线分别对大地(简称线对地)的,主要通过选择合适的电容(Y电容,也是安规级别的),和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常用的低通滤波器,一般会同时具有抑制共模和差模干扰的功能。

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

如图1,3为差模电容,2为共模电感,4为共模电容。

1,2,3共同组成的叫π型滤波器,1,3组成的电容主要是滤两根线之间的信号差,因此而得名。一般这两个电容的取值在0.22 uf-1.5 uf。在出现干扰超标的时候,一般解决方法是把这两个电容的值加大,但随着电容容值加大,会导致漏电流加大,这点需要注意。

2为共模电感,这个上面有两根独立的线圈,方向相反的绕制在同一个圆形闭合的磁芯上,当有差分信号通过时,由于这两根导线大小相等,反向相反,因此产生的磁场相互抵消了。共模电感的感量选型一般在几百微亨到几毫亨级别。4为共模电容,这两个电容由于分别连接着L和N两根线且对地的,呈Y型状,因此而得名。它们的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大,越容易解决干扰问题,但是漏电也越大,取值要甚重。

当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,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,达到滤波的目的。

一般 滤波器不单独使用差模线圈,因为共模电感两边绕线不一致等原因,电感必定不会相同,因此能起到一定的差模电感的作用。如果差模干扰比较严重,就要追加差模线圈。

差模干扰:简单的说就是线对线的干扰。

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

如图,我们可以看到差模的原理图。UDM 就是差模电压,IDM 就是差模电流。IDM 大小相同,方向相反。

差模干扰产生的原因

差模干扰中的干扰是起源在同一电源线路之中(直接注入)。如同一线路中工作的电机开关电源可控硅等,他们在电源线上所产生的干扰就是差模干扰

如何影响设备。

差模干扰直接作用在设备两端的,直接影响设备工作,甚至破坏设备。(表现为尖峰电压,电压跌落及中断。)

如何滤除差模干扰

主要采用差模电感和差模电容。

差模电感的工作原理:

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

可以看到,当电流流过差模线圈之后,线圈里面的磁通是增强的,相当于两个磁通之和。线圈特性 低频率低阻抗 高频率高阻抗 决定了在高频时利用它的高阻抗衰减差模信号。(如图下图所示)

当频率为50Hz时,线圈阻抗接近于0,相当于一根导线,不起任何衰减作用。

当频率为500k Hz时,阻抗达到5k 欧,而理想状态下,此时负载阻抗一般考虑为50欧。

根据上面公司,此时差模线圈分得了99%的差模干扰电压。而负载只分得了1%的差模干扰电压。

同时,电流也有很大的衰减。(可以算出此时线圈的差模插入损耗)

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

差模电容工作原理:

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

可以看到:

电容特性 低频率高阻抗 高频率低阻抗。滤波器利用电容在高频时它的低阻抗短路掉差模干扰。(如下图所示:)

当频率为50Hz时,电容阻抗趋近于无穷大,相当于短路,不起任何衰减作用。

当频率为500k Hz时,电容阻抗很小,根据上式可以看到,差模复杂的电流衰减为趋近于0。

如当频率为500k Hz时,负载50欧,容抗0.05欧。

此时电容分得了99.9%的差模干扰电流,而负载只分得了0.1%的差模干扰电流。

也就是说500k Hz 时,电容使得差模干扰下降了30dB。

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

共模:就是同时对地的干扰

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

如图,我们可以看到共模的原理图,UPQ 就是共模电压,ICM1 ICM2就是共模电流。ICM1 ICM2大小不一定相同,方向相同。

共模干扰产生的原因很多,主要原因有以下几点。

1.电网串入共模干扰电压。

2.辐射干扰(如雷击,设备电弧,附近电台,大功率辐射源)在心啊后线上感应出共模干扰。(原理是 交变的磁场 产生交变的电流,犹豫地线,零线回路面积与地线 火线回路面积不相同,两个回路阻抗不通等原因造成电流大小不同)

3.接地电压不一样,也就是说电位差异引入共模干扰

4.也包括设备内部电线 对电源线的影响。

如何影响设备

共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电供电室。变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电流可转换成差模电压,直接影响测控信号。造成元器件损坏,这种共模干扰可为直流,亦可为交流。如图

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

ICM2 近似等于ICM1:而Z1不等于Z2;UP=ICM2*ZCM2;UQ=ICM1*ZCM1

所以UP不等于UQ,从未转换为差模电压UPQ

也就是说,共模干扰不直接影响设备,而是通过转化为差模电压来影响设备。

如何滤除共模干扰(共模线圈 共模电容)

共模线圈

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

共模线圈和差模线圈原理比较类似,都是利用线圈高频时的高阻抗来衰减干扰信号。

共模线圈和差模线圈绕线方法刚好相反(如图)

因为差模线圈在滤除干扰的同时,还会一定程度的增加阻抗。而共模线圈对方向相反的电流基本不起作用。所以我们在能够满足特性的前提下,一般很少使用差模线圈。

共模电容的工作原理

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

电路设计如何解决共模干扰和差模干扰

共模电容的工作原理和差模电容的工作原理是一致的,

都是利用电容的高频低阻抗,使高频干扰信号短路,而低频时电路不受任何影响。

只是差模电容是两极之间短路。而共模电容是线对地短路。