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共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2017-04-17 來(lái)源:趙金奎 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】共模干擾和差模干擾是電子、電氣產(chǎn)品上重要的干擾之一,它們可以對(duì)周圍產(chǎn)品的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。文章介紹了共模干擾和差模干擾的概念及特點(diǎn),對(duì)共模干擾和差模干擾的抑制技術(shù)進(jìn)行了分析與研究,并對(duì)產(chǎn)品在抗干擾方面的設(shè)計(jì)提出了若干建議。
 
1 引言
 
共模干擾和差模干擾是電子、電氣產(chǎn)品上重要的干擾之一,它們可以對(duì)周圍產(chǎn)品的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在對(duì)某些電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)和測(cè)試的過(guò)程中,由于對(duì)各種電磁干擾采取的抑制措施不當(dāng)而造成產(chǎn)品在進(jìn)行電磁兼容檢測(cè)時(shí)部分測(cè)試項(xiàng)目超標(biāo)或通不過(guò)EMC測(cè)試,從而造成了大量人力、財(cái)力的浪費(fèi)。為了掌握電磁干擾抑制技術(shù)的一些特點(diǎn),正確理解一些概念是十分必要的。共模干擾和差模干擾的概念就是這樣一種重要概念。正確理解和區(qū)分共模和差模干擾對(duì)于電子、電氣產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取相應(yīng)的抗干擾技術(shù)十分重要,也有利于提高產(chǎn)品的電磁兼容性。
 
2 共模干擾和差模干擾
 
2.1 共模干擾信號(hào)和差模干擾信號(hào)
 
對(duì)于形形色色的干擾信號(hào)對(duì)電子、電氣設(shè)備的影響可用圖2-1的示意圖來(lái)表示。其中把相線(L)與地(E)和中線(N)與地(E)間存在的電磁干擾(EMI)信號(hào)稱為共模(Common Mode)干擾信號(hào),即圖2-1中的電壓U1、U2;對(duì)L、N線而言,共模干擾信號(hào)可視為在L線和N線上傳輸?shù)碾娢幌嗟?,相位相同的噪聲信?hào)。把L線和N線之間存在的干擾信號(hào)稱作差模(Diff-erential Mode)干擾信號(hào),也可把它視為在L線和N線上有180°相位差的共模干擾信號(hào)。對(duì)于任何電源系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾信號(hào),都可用共模和差模干擾信號(hào)來(lái)表示;并且可把L-E和N-E上的共模干擾信號(hào)、L-N上的差模干擾信號(hào)看作獨(dú)立的騷擾源,把L-E、N-E和L-N看作獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)端口,以便于分析EMI信號(hào)和處理有關(guān)的濾波網(wǎng)絡(luò)。
 
2.2 共模電流和差模電流
 
干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有兩種方式:共模方式和差模方式,如圖2-2所示。一對(duì)導(dǎo)線上如流過(guò)差模電流則兩條線上的電流大小相等,方向相反;而一般有用信號(hào)也都是差模電流。一對(duì)導(dǎo)線上如流過(guò)共模電流則兩條線上的電流方向相同。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)既可以差模方式出現(xiàn),也可以共模方式出現(xiàn)。但共模電流只有變成差模電流后,才能對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成干擾。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
 
3 干擾產(chǎn)生的原因
 
3.1 差模/共模干擾產(chǎn)生的原因
 
從上面的概念中,我們體會(huì)到:共模干擾電壓并不會(huì)影響電路的正常工作,因?yàn)橄嗑€L、中線N與回線之間的信號(hào)電壓并沒有因?yàn)楦蓴_電壓存在而發(fā)生改變,而差模干擾電壓是引起電路故障的根本原因。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)抗干擾電路時(shí),有人認(rèn)為只要重點(diǎn)考慮濾除差模干擾就可以了,但事實(shí)并非如此簡(jiǎn)單,原因是:
 
(1)由于電路的不平衡性,相同的共模電壓會(huì)在信號(hào)線和信號(hào)地線上產(chǎn)生不同幅度的共模電流,從而產(chǎn)生差模電壓,形成干擾。
 
(2)共模電流會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射,對(duì)周圍的電路形成輻射性干擾,而電纜的共模輻射則是設(shè)備輻射干擾發(fā)射超標(biāo)的主要原因之一。
 
一般情況下,電纜上產(chǎn)生共模電流的原因有三個(gè)方面:一個(gè)是外界電磁場(chǎng)在電纜中所有導(dǎo)線上感應(yīng)出來(lái)的電壓(這個(gè)電壓相對(duì)于大地是等幅同相的),這個(gè)電壓產(chǎn)生電流;另一個(gè)原因是電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同,在這個(gè)地電位的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流;第三個(gè)原因是設(shè)備上的電纜與大地之間的電位差,這樣電纜上會(huì)有共模電流。如果設(shè)備在其電纜上產(chǎn)生共模電流,電纜會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射,對(duì)電子、電氣產(chǎn)品元器件產(chǎn)生電磁干擾,影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)。另外,當(dāng)電路不平衡時(shí),共模電流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅k娏?,差模電流?duì)電路直接產(chǎn)生干擾影響。對(duì)于電子、電氣產(chǎn)品電路中的信號(hào)線及其回路而言:差模電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí),將引起差模輻射,這種環(huán)路相當(dāng)于小環(huán)天線,能向空間輻射磁場(chǎng),或接收磁場(chǎng)。因此,必須限制環(huán)路的大小和面積。
 
目標(biāo)信號(hào)在電路中的傳輸,總是以雙線方式傳輸,習(xí)慣上稱為信
號(hào)回路。但就干擾信號(hào)來(lái)說(shuō),它進(jìn)入電磁設(shè)備傳輸就有可能出現(xiàn)兩種情況:一種情況是與目標(biāo)信號(hào)一起沿正?;芈反牍ぷ鲉卧纬刹钅8蓴_;另一種情況是以傳輸目標(biāo)信號(hào)的雙線作為一線,又以地為另一線所構(gòu)成的傳輸回路,讓干擾信號(hào)進(jìn)入工作單元的模式,形成共模干擾。另一個(gè)值得注意的方面是,由于信號(hào)回路的雙線對(duì)地的電特性不一定完全平衡,于是有可能也形成差模干擾。
 
又從耦合的途徑來(lái)說(shuō),差模干擾的出現(xiàn),基本上是直接耦合的結(jié)果,而共模干擾的出現(xiàn),多必是感應(yīng)耦合和輻射耦合的結(jié)果,其強(qiáng)度則直接與回路的幾何形態(tài)、方向有關(guān)。
 
3.2 PCB上的干擾
 
一般說(shuō)來(lái),PCB上的電路功能問(wèn)題主要是由差模電壓或電流造成的,而印制電路板向外的電磁輻射效應(yīng)主要是由共模電壓或電流造成的。通常PCB上的差模和共模電壓或電流是由同一個(gè)物理層上的驅(qū)動(dòng)源(即同一個(gè)干擾源)產(chǎn)生的,共模電壓或電流是由差模電壓或電流經(jīng)某種機(jī)制轉(zhuǎn)換而來(lái)的。
 
圖3-1給出了PCB上最典型的差模電流和共模電流的情形。PCB上的差模電流通常是在印制電路板電路內(nèi)部形成的,差模電源通常是電路中的信號(hào)電源。共模電流通常是信號(hào)線與地(包括接地層和結(jié)構(gòu)地板)之間,通過(guò)分布電參數(shù)或公共阻抗形成的。PCB上的差模電流
和共模電流的基本概念及其等效電路如圖3-2所示。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
 
共模電流可以通過(guò)接地結(jié)構(gòu)或公共結(jié)構(gòu)連接到PCB的輸入/輸出設(shè)備的電纜上,產(chǎn)生向外的輻射干擾影響。共模電流可以由布線層上的差模電流的影響而產(chǎn)生,通常都是由于PCB結(jié)構(gòu)造成的由差模到共模的轉(zhuǎn)換機(jī)制產(chǎn)生的,特別是由于結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性,會(huì)使差模電流產(chǎn)生不平衡或不可對(duì)消的差模電流通量而導(dǎo)致共模電流。
 
3.3 差模輻射和共模輻射的模擬
 
差模電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí),將引起差模輻射,如圖3-3所示。這種環(huán)路相當(dāng)于小環(huán)天線,能向空間輻射磁場(chǎng),或接受外界的磁場(chǎng)。
 
當(dāng)差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來(lái)模擬時(shí),可設(shè)環(huán)路電流為I,環(huán)面積為S,在距離為r的遠(yuǎn)場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度可由下面的電磁輻射模擬公式求得:
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
 
式中:
 
E——PCB空間r處的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)
 
f——PCB上的工作電流頻率(Hz)
 
S——PCB上的環(huán)路面積(m2)
 
I——PCB上的電流(A)
 
r——到PCB環(huán)路的距離(m)
 
θ——測(cè)量天線與輻射平面的夾角(°)
 
式(1)表明,差模輻射與環(huán)電流和環(huán)面積成正比,與頻率的平方成正比。因此,可采用下述三種方法來(lái)抑制差模輻射:
 
減小電流幅度I;
 
減小信號(hào)頻率及其諧波,加大數(shù)字信號(hào)上升/下降沿共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù))為數(shù)子脈沖的上升/下降時(shí)間,數(shù)字脈沖頻譜寬度共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù),實(shí)驗(yàn)顯示實(shí)際輻射頻率f在0.1BW<f<10BW范圍內(nèi)時(shí)產(chǎn)生的干擾較大;
 
減小環(huán)面積S,將信號(hào)線緊挨接地線。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
 
在此,采用接地平面就能有效地減小接地系統(tǒng)中的地電位。地平面的一個(gè)主要好處是能夠使輻射的環(huán)路最小,這保證了PCB上的最小差模輻射和對(duì)外界干擾的敏感度,從EMC的角度看,地線面的主要作用是減小地線阻抗,從而減小地線騷擾。當(dāng)不使用地線面時(shí),為了達(dá)到同樣的效果,必須在高頻電路或敏感電路的鄰近位置設(shè)置一根地線。
 
共模輻射是由于接地電路中存在電壓降,某些部位具有高電位的共模電壓,即在同一塊PCB上,存在不同電位差的電位分布區(qū)域,當(dāng)外接電纜與這些部位連接時(shí),就會(huì)在共模電壓激勵(lì)下形成共模電流,成為輻射電場(chǎng)的天線,如圖3-4所示,這多是由于接地系統(tǒng)中存在電壓降所造成的。共模輻射通常決定了產(chǎn)品的輻射性能。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
 
共模輻射可用對(duì)地電壓激勵(lì)的、長(zhǎng)度小于1/4波長(zhǎng)的短單極天線來(lái)模擬,例如外接電纜的共模輻射,如圖3-4所示。對(duì)于接地平面上長(zhǎng)度為l的短單極天線來(lái)說(shuō),在遠(yuǎn)場(chǎng)r處的電場(chǎng)強(qiáng)度為:
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)(2)
 
上式中l(wèi)為天線長(zhǎng)度(m)
 
式(2)表明,共模輻射與頻率f、共模電流I及天線長(zhǎng)度l成正比,應(yīng)分別予以限制,而限制共模電流I是減小共模輻射的基本方法。為此,需要做到以下幾點(diǎn):
 
(1)盡量減小激勵(lì)此天線的源電壓,即地電位;
 
(2)提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗,即加共模扼流圈;
 
(3)將共模電流旁路到地。在設(shè)計(jì)PCB電路時(shí),印制線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短而寬。具體情況下,天線的總長(zhǎng)度大于λ/20后,天線的輻射才可能有效。當(dāng)天線的長(zhǎng)度與干擾波的波長(zhǎng)符合下面關(guān)系
時(shí),輻射的能量最大。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)(3)
 
因此,為了減少電流輻射的干擾能量,應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)或測(cè)量到的電磁波頻率、并根據(jù)印制線的長(zhǎng)度和其輻射頻率的響應(yīng)關(guān)系,合理地設(shè)計(jì)PCB中線路的長(zhǎng)度,使其組成的共模天線尺寸小于或不滿足關(guān)系式(3)。
 
3.4 從頻率上判斷干擾的方法
 
從干擾信號(hào)的頻率上識(shí)別和判斷差模干擾和共模干擾的方法:差模干擾一般頻率較低,主要集中在1MHz以下,共模干擾主要集中在1MHz以上。這是由于共模干擾是通過(guò)空間感應(yīng)到電纜上的,這種感應(yīng)只有在較高頻率時(shí)才容易發(fā)生。但有一個(gè)例外,當(dāng)電纜從很強(qiáng)的磁場(chǎng)輻射源(如開關(guān)電源)旁路通過(guò)時(shí),也會(huì)感應(yīng)上頻率較低的共模干擾。
 
4 干擾的抑制技術(shù)
 
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,合理的電路布局、良好的接地系統(tǒng)能增強(qiáng)產(chǎn)品的抗干擾能力,但是對(duì)于產(chǎn)品中和電纜上存在的差模干擾和共模干擾,在電路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行特殊處理,才能有效地抑制來(lái)自電源線或信號(hào)線的射頻干擾。
 
對(duì)某些電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)行傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試表明,合理的布局,對(duì)關(guān)鍵電路的處理,能有效保護(hù)敏感元器件不受電磁干擾的影響,增強(qiáng)產(chǎn)品的抗干擾能力。對(duì)接地系統(tǒng)的正確選擇,不但可以減少產(chǎn)品內(nèi)部高、低頻電路的相互影響,還能減小地環(huán)路的干擾,抑制來(lái)自信號(hào)線或電源線的差模干擾。關(guān)于產(chǎn)品的接地,從電路參考點(diǎn)的角度考慮,接地可分為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地三種,讀者可參閱相關(guān)資料,此處不再贅述。
 
在電子、電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以采用下述方法對(duì)差模干擾和共模干擾進(jìn)行抑制。
 
4.1 加共模/差模扼流圈
 
在電子、電氣產(chǎn)品的信號(hào)線或電源線輸入端口加共模扼流圈抑制共模電流干擾,加差模扼流圈抑制差模電流干擾。
 
共模濾波和差模濾波的不同點(diǎn)在于旁路電容的連接方式和電感線圈的制作方法上。在共模濾波中,旁路電容要連接在被濾波導(dǎo)線與共模電壓參考地之間;差模濾波中,旁路電容連接在信號(hào)線和信號(hào)地線之間。差模扼流圈是將線圈繞在一個(gè)獨(dú)立的磁芯上,如圖4-1(a)所示,該線圈在繞制過(guò)程中要防止磁芯發(fā)生磁飽和。共模扼流圈是將信號(hào)線及其回線繞在同一個(gè)磁芯上,繞制的方法是使流過(guò)兩個(gè)繞組的差模電流在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反,如圖4-1(b)所示。共模扼流圈可以使直流和低頻時(shí)的差模電流通過(guò),但對(duì)于高頻共模電流則呈現(xiàn)很大阻抗而被抑制。對(duì)于絕緣要求不高的信號(hào)線,可以采用雙線共繞的方法構(gòu)成共模扼流圈,如圖4-1(c)所示,對(duì)于交流電源線考慮到兩根線之間必須承受較高的電壓,兩根線必須分開繞。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
圖4-1?差模扼流圈和共模扼流圈的結(jié)構(gòu)
 
共模扼流圈一般采用在導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料上繞制,因?yàn)殍F氧體的導(dǎo)磁率很高,可以獲得很大的電感量,而由于共模扼流圈的特殊繞制方法,沒有磁芯飽和的危險(xiǎn)。差模扼流圈一般在鐵粉磁芯上繞制,通過(guò)減小磁芯中的磁通密度來(lái)避免飽和。
 
4.2 加低通濾波電路
 
在進(jìn)行干擾抑制時(shí),可在電子、電氣產(chǎn)品的信號(hào)線或電源線輸入端口增加簡(jiǎn)單的低通濾波電路。通常的低通濾波器是用電感和電容組合而成的,電容并聯(lián)在要濾波的信號(hào)線與信號(hào)地線之間(濾除差模干擾電流),或信號(hào)線與機(jī)殼地或大地之間(濾除共模干擾電流),電感串聯(lián)在要濾波的信號(hào)線上。常見的濾波電路見圖4-2所示。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
圖4-2常見濾波電路
 
使用單電容和單電感電路,在某一頻率上會(huì)有改善,但是可能在另一頻率上會(huì)引入新的干擾。在實(shí)際測(cè)試中,應(yīng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果選擇電容和電感,或使用LC濾波電路,常見的LC濾波電路如圖4-3所示。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
圖4-3LC濾波電路
 
使用LC濾波電路,可根據(jù)公式共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)計(jì)算電路的諧振頻率,在測(cè)試過(guò)程中,調(diào)整電感、電容,使諧振頻率與產(chǎn)品的干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對(duì)頻率很高的電磁干擾,可以使用三端電容或穿心電容進(jìn)行濾波。
 
4.3 差模干擾和共模干擾的抑制
 
對(duì)于差模噪聲,減少干擾的方法是在信號(hào)線和電源線上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容或用電容或電感組成低通濾波器,來(lái)減小高頻的噪聲,阻止干擾電流流入電路,如圖4-4(a)所示;對(duì)于共模噪聲,減小干擾的方法是在信號(hào)線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈,在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器,組成LC濾波器進(jìn)行濾波,濾去共模噪聲,如圖4-4(b)所
示。
 
共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù)
圖4-4差模噪聲和共模噪聲的抑制
 
5 結(jié)束語(yǔ)
 
在電子、電氣產(chǎn)品中,干擾的來(lái)源比較復(fù)雜,而差模干擾和共模干擾一直是阻礙產(chǎn)品順利通過(guò)電磁兼容檢測(cè)的主要因素之一。要抑制產(chǎn)品產(chǎn)生的差模干擾和共模干擾,事后的對(duì)策無(wú)論從電路改進(jìn)或外部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行補(bǔ)救,都不是解決問(wèn)題的萬(wàn)全之策,最好的方法還是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中便考慮到各類干擾問(wèn)題,采取相應(yīng)的抗干擾技術(shù)來(lái)濾除和抑制電磁干擾,才能使產(chǎn)品達(dá)到抗電磁干擾的要求,提高其電磁
兼容性。
 
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