詳讀EMC的共模幹擾與差模幹擾以及抑製方法
發布時間:2018-01-09 責任編輯:lina
【導讀】電器設備的電源線,電話等的通信線, 與其它設備或外圍設備相互交換的通訊線路,至少有兩根導線,這兩根導線作為往返線路輸送電力或信號,在這兩根導線之外通常還有第三導體,這就是"地線"。電壓和電流的變化通過導線傳輸時有兩種形態, 一種是兩根導線分別做為往返線路傳輸, 我們稱之為"差模";另一種是兩根導線做去路,地線做返回傳輸, 我們稱之為"共模"。
什麼是共模與差模
電器設備的電源線,電話等的通信線, 與其它設備或外圍設備相互交換的通訊線路,至少有兩根導線,這兩根導線作為往返線路輸送電力或信號,在這兩根導線之外通常還有第三導體,這就是"地線"。電壓和電流的變化通過導線傳輸時有兩種形態, 一種是兩根導線分別做為往返線路傳輸, 我們稱之為"差模";另一種是兩根導線做去路,地線做返回傳輸, 我們稱之為"共模"。

如上圖, 藍色信號是在兩根導線內部作往返傳輸的,我們稱之為"差模";而黃信號是在信號與地線之間傳輸的,我們稱之為"共模"。
共模幹擾與差模幹擾
任何兩根電源線或通信線上所存在的幹擾,均可用共模幹擾和差模幹擾來表示:共模幹擾在導線與地(機殼)之間傳輸,屬於非對稱性幹擾,它定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差;差模幹擾在兩導線之間傳輸,屬於對稱性幹擾,它定義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。在一般情況下,共模幹擾幅度大、頻率高,還可以通過導線產生輻射,所造成的幹擾較大。差模幹擾幅度小、頻率低、所造成的幹擾較小。

共模幹擾信號
共模幹擾的電流大小不一定相等,但是方向(相位)xiangtongde。dianqishebeiduiwaideganraoduoyigongmoganraoweizhu,wailaideganraoyeduoyigongmoganraoweizhu,gongmoganraobenshenyibanbuhuiduishebeichanshengweihai,danshiruguogongmoganraozhuanbianweichamoganrao,ganraojiuyanzhongle,yinweiyouyongxinhaodoushichamoxinhao。

差模幹擾信號
差模幹擾的電流大小相等,方向(相位)相反。由於走線的分布電容、電感、信號走線阻抗不連續,以及信號回流路徑流過了意料之外的通路等,差模電流會轉換成共模電流。
共模幹擾產生原因
1. 電網串入共模幹擾電壓。
2. 輻射幹擾(如雷電,設備電弧,附近電台,大功率輻射源)在信號線上感應出共模幹擾,原因是交變的磁場產生交變 的電流,地線-零線回路麵積與地線-火線回路麵積不相同,兩個回路阻抗不同等原因造成電流大小不同。
3.接地電壓不一樣,簡單的說就電位差而造就了共模幹擾。
4.設備內部的線路對電源線造成的共模幹擾。
共模幹擾電流
共模幹擾一般是以共模幹擾電流存在的形式出現的,一般情況下共模幹擾電流產生的原因有三個方麵:
1. 外界電磁場在電路走線中的所有導線上感應出來電壓(這個電壓相對於大地是等幅和同相的),由這個電壓產生的電流。
2. 由於電路走線兩端的器件所接的地電位不同,在這個地電位差的驅動下產生的電流。
3. 器件上的電路走線與大地之間有電位差,這樣電路走線上會產生共模幹擾電流。
器件如果在其電路走線上產生共模幹擾電流,則電路走線會產生強烈的電磁輻射,對電子、電氣產品元器件產生電磁幹擾,影響產品的性能指標;另外,當電路不平衡時,共模幹擾電流會轉變為差模幹擾電流,差模幹擾電流對電路直接產生幹擾影響。對於電子、電氣產品電路中的信號線及其回路而言:差模幹擾電流流過電路中的導線環路時,將引起差模幹擾輻射,這種環路相當於小環天線,能向空間輻射磁場,或接收磁場。
如何識別共模幹擾
1. 從幹擾源判斷:雷電、附近發生的電弧、附近的電台或其它大功率輻射裝置在電纜上產生的幹擾為共模幹擾。
2. 從頻率上判斷:共模幹擾主要集中在1MHz以(yi)上(shang)。這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)是(shi)通(tong)過(guo)空(kong)間(jian)感(gan)應(ying)到(dao)電(dian)纜(lan)上(shang)的(de),這(zhe)種(zhong)感(gan)應(ying)隻(zhi)有(you)在(zai)較(jiao)高(gao)頻(pin)率(lv)時(shi)才(cai)容(rong)易(yi)發(fa)生(sheng)。但(dan)有(you)一(yi)種(zhong)例(li)外(wai),當(dang)電(dian)纜(lan)從(cong)很(hen)強(qiang)的(de)磁(ci)場(chang)輻(fu)射(she)源(yuan)(例如,開關電源)旁邊通過時,也會感應到頻率較低的共模幹擾。
3. 用儀器測量:隻要有一台頻譜分析儀和一隻電流卡鉗就可以進行測量、判斷了,判斷的步驟如下:
a. 將電流卡鉗分別卡在信號線或地線(火線或零線)上,記錄下某個感應頻率(f1)的幹擾強度。
b.將電流卡鉗同時卡住信號線和地線, 若能觀察到(f1)處的幹擾,則(f1)幹擾中包含共模幹擾成份,要判斷是否僅含共模 幹擾成份,進行步驟c的判別。
c.將卡鉗分別卡住信號線和地線,若兩根線上測得的(f1)幹擾的幅度相同,則(f1)幹擾中僅含共模幹擾成份;若不相同,則(f1)幹擾中還包含差模幹擾成份。
如何抑製共模幹擾
共模幹擾作為EMC幹gan擾rao中zhong最zui為wei常chang見jian且qie危wei害hai較jiao大da的de幹gan擾rao,我wo們men抑yi製zhi它ta最zui直zhi接jie的de方fang法fa就jiu是shi濾lv波bo,這zhe是shi抑yi製zhi和he防fang止zhi共gong模mo幹gan擾rao的de一yi項xiang重zhong要yao措cuo施shi。濾lv波bo器qi的de功gong能neng就jiu是shi允yun許xu某mou一yi特te定ding頻pin率lv的de信xin號hao順shun利li通tong過guo,而er其qi它ta頻pin率lv的de信xin號hao則ze要yao受shou到dao較jiao大da的de抑yi製zhi,它ta實shi質zhi上shang是shi一yi個ge選xuan頻pin電dian路lu,taqieduanledianciganraoyanxinhaoxianhuodianyuanxianchuanbodelujing,lingwaitahaishiyasuoganraopinpudeyizhongyouxiaofangfa,dangganraopinpubutongyuyouyongxinhaodepindaishi,keyiyonglvboqijiangwuyongdeganraoxinhaolvchu。yinci,qiadangdixuanzehezhengquedishiyonglvboqiduiyizhigongmoganraoshishifenzhongyaode。
如果有用信號是差模信號而幹擾信號是共模信號,可使用共模電感來抑製幹擾信號:

共模電感的原理和抑製幹擾
在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)串(chuan)入(ru)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan),當(dang)有(you)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)線(xian)圈(quan)時(shi),由(you)於(yu)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu)的(de)同(tong)向(xiang)性(xing),會(hui)在(zai)線(xian)圈(quan)內(nei)產(chan)生(sheng)同(tong)向(xiang)的(de)磁(ci)場(chang)而(er)增(zeng)大(da)線(xian)圈(quan)的(de)感(gan)抗(kang),使(shi)線(xian)圈(quan)表(biao)現(xian)為(wei)高(gao)阻(zu)抗(kang),產(chan)生(sheng)較(jiao)強(qiang)的(de)阻(zu)尼(ni)效(xiao)果(guo),以(yi)此(ci)衰(shuai)減(jian)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu),達(da)到(dao)濾(lv)波(bo)的(de)目(mu)的(de);當(dang)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)正(zheng)常(chang)差(cha)模(mo)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)時(shi),電(dian)流(liu)在(zai)同(tong)相(xiang)繞(rao)製(zhi)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)線(xian)圈(quan)中(zhong)產(chan)生(sheng)反(fan)向(xiang)的(de)磁(ci)場(chang)而(er)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao),因(yin)而(er)對(dui)正(zheng)常(chang)的(de)差(cha)模(mo)電(dian)流(liu)基(ji)本(ben)沒(mei)有(you)衰(shuai)減(jian)作(zuo)用(yong)。
案例 USB 信號上的共模幹擾抑製方法

USB 端口的濾波處理-使用共模電感
USB chuanshuxianshangdexinhaoshichafenxinhaoerganraoyuanshigongmoganraoxinhao,zaichuanshuxianshangchuanshanggongmodiangannengjiaohaodeyizhigongmoganrao,erduiyouyongdechafenxinhaomeiyourenheshuaijian。

USB 高速運行會在DM/DP信號線上產生很強的共模幹擾

電路中加入濾波器-共模電感後共模幹擾信號得到有效抑製
如果共模幹擾源是在電源回路,可使用共模電容來抑製幹擾信號

在電路中引入共模電容,則共模電容提供最短的路徑使共模幹擾信號被旁路,從而抑製共模幹擾的產生 。
如果電源回路同時還存在差模幹擾,使用差模電容來抑製幹擾

在電路中引入差模電容,則差模電容提供最短的路徑使差模幹擾信號被旁路,從而抑製差模幹擾的產生 。
總結
共模幹擾作為EMC幹擾中最為常見且危害很大的幹擾,抑製它的方法除了濾波外,還可以通過對信號線路進行屏蔽,在PCB 板上大麵積鋪地降低地線阻抗來減少共模信號強度等方法。
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