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电磁兼容里面的共模干扰和差模干扰是如何产生的

什么是共模和差模?

电磁兼容行业中,电器设备的电源线、电话等通信线路,以及与其他设备或外围设备交换的通信线路,至少有两条线路,这两条线路作为往返线路输送电源或信号,通常有第三导体,这是"地线"。电压和电流的变化通过导线传输有两种形式,一种是两根导线分别作为往返线路传输,我们称之为"差模";另一种是两根导线去路,地线返回传输,我们称之为"共模"。


国产电磁兼容仪器设备

如上图所示,蓝色信号在两条导线内进行往返传输,我们称之为"差模";黄信号在信号和地线之间传输,我们称之为"共模"。


共模干扰和差模干扰

任何两条电源线或通信线上的干扰都可以用共模干扰和差模干扰来表示:共模干扰在导线和地面(外壳)之间传输,属于不对称干扰,定义为任何载流导体和参考地之间不想要的电位差;

差模干扰在两条导线之间传输,属于对称干扰,定义为任何两个载流导体之间不想要的电位差。一般共模干扰范围大,频率高,也可以通过导线辐射,干扰大。差模干扰范围小,频率低,干扰小。


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共模干扰信号


共模干扰的电流大小不一定相等,但方向(相位)相同。电气设备的外部干扰主要是共模干扰,外部干扰主要是共模干扰。共模干扰本身一般不会对设备造成伤害,但如果共模干扰转化为差模干扰,干扰会严重,因为有用信号是差模信号。


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差模干扰信号


差模干扰的电流大小相等,方向(相位)相反。差模电流会转化为共模电流,因为布线的分布电容、电感、信号布线阻抗不连续、信号回流路径流过意想不到的通路。


共模干扰的原因

1.电网串入共模干扰电压。

2.接地电压不同,简单来说就是电位差造成共模干扰。

3.设备内线路对电源线的共模干扰。

4.辐射干扰(如雷电、设备电弧、附近电台、大功率辐射源)在信号线上感应共模干扰,因为交变磁场产生交变电流,地线-零线电路面积与地线-火线电路面积不同,两个电路阻抗不同。



共模干扰电流

共模干扰通常以共模干扰电流的形式出现,一般共模干扰电流的原因有三个:

1.外部电磁场在电路接线中的所有导线上感应电压(该电压与地球相等),由该电压产生的电流。

2.由于电路接线两端设备连接的地电位不同,在地电位差的驱动下产生的电流。

3.设备上的电路接线与地面之间存在电位差,使电路接线产生共模干扰电流。


如果设备在电路线上产生共模干扰电流,电路线会产生强电磁辐射,对电子和电气产品部件产生电磁干扰,影响产品性能指标;此外,当电路不平衡时,共模干扰电流会转化为差模干扰电流,差模干扰电流会直接干扰电路。对于电子和电气产品电路中的信号线及其电路,当差模干扰电流通过电路中的导线环时,会引起差模干扰辐射,相当于小环天线,可以向空间辐射磁场或接收磁场。


如何识别共模干扰?

1.从频率判断:共模干扰主要集中在1MHz以上。这是因为共模干扰是通过空间感应到电缆的,只有在高频时才容易发生。但有一个例外,当电缆通过强磁场辐射源(如开关电源)时,也会感应到低频共模干扰。

2.从干扰源判断:雷电、附近电弧、附近电台或其他大功率辐射装置对电缆的干扰为共模干扰。

3.用仪器测量:只要有频谱分析仪和电流卡钳,就可以测量。判断步骤如下:

a.将电流卡钳分别卡在信号线或地线(火线或零线)上,记录感应频率(f1)干扰强度。

b.如果能观察到电流卡钳同时卡住信号线和地线(f1)干扰,然后(f1)干扰中含有共模干扰成分,需要判断是否只含有共模干扰成分,并采取步骤c的判别。

c.如果两条线上测得的卡钳分别卡住信号线和地线(f1)如果干扰范围相同,(f1)干扰仅含共模干扰成分;如果不同,(f1)差模干扰成分也包含在干扰中。


如何抑制共模干扰?

共模干扰EMC干扰中最常见、最有害的干扰是过滤器,这是抑制和预防共模干扰的重要措施。过滤器的功能是允许特定频率的信号顺利通过,而其他频率的信号应大大抑制。它本质上是一个选频电路,切断了沿信号线或电源线传输电磁干扰的路径。此外,它是压缩干扰频谱的有效方法。当干扰频谱不同于有用信号的频带时,可以使用滤波器过滤无用的干扰信号。因此,正确选择和使用滤波器对抑制共模干扰非常重要。

若有用信号为差模信号,干扰信号为共模信号,则可采用共模电感抑制干扰信号:


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共模电感的原理和抑制干扰


USB传输线上的信号是差分信号,干扰源是共模干扰信号。在传输线上串联共模电感可以更好地抑制共模干扰,而不会衰减有用的差分信号。


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USB高速运行会在DM/DP信号线上产生很强的共模干扰


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电路中加入滤波器-共模电感后共模干扰信号得到有效抑制


共模电感串入电路。当共模干扰电流通过线圈时,由于共模干扰电流的同向性,线圈中的同向磁场会增加线圈的感应阻力,使线圈具有较高的阻抗性和较强的阻尼效果,从而衰减共模干扰电流,达到滤波的目的;当电路中的正常差模电流通过共模电感时,电流在共模电感线圈中产生反向磁场并相互抵消,因此对正常差模电流没有衰减效果。

案例USB共模干扰抑制信号上的方法


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USB端口的滤波处理-使用共模电感


如果共模干扰源在电源电路中,可以使用共模电容来抑制干扰信号


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在电路中引入共模电容时,共模电容提供最短的路径,使共模干扰信号旁路,从而抑制共模干扰的产生。

如果电源电路仍有差模干扰,则使用差模电容器抑制干扰


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将差模电容引入电路时,差模电容提供最短的路径,使差模干扰信号旁路,从而抑制差模干扰的产生。


相关关键词: 电磁兼容
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