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细说『共模干扰』和『差模干扰』

发布时间:2022-09-05   点击次数:205次

一、共模信号和差模信号

通常电源线有三根线,火线L,零线N和地线PE。

 

电压和电流的变化通过导线传输时有两种形态, 一种是两根导线分别做为往返线路传输, 我们称之为"差模";另一种是两根导线做去路,地线做返回传输, 我们称之为"共模"。

 

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如上图, 蓝色信号是在两根导线内部作往返传输的,我们称之为"差模";黄色信号是在信号与地线之间传输的,我们称之为"共模"。

 

 

二、共模干扰与差模干扰

 

任何两根电源线上所存在的干扰,均可用共模干扰和差模干扰来表示。


共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰,它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差;

 

差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰,它定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。

 

在一般情况下,共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。

 

 

2.1共模干扰信号

      

共模干扰的电流大小不一定相等,但是方向(相位)相同的。电气设备对外的干扰多以共模干扰为主,外来的干扰也多以共模干扰为主,共模干扰本身一般不会对设备产生危害,但是如果共模干扰转变为差模干扰,干扰就严重了,因为有用信号都是差模信号。

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2.2差模干扰信号

 

差模干扰的电流大小相等,方向(相位)相反。由于走线的分布电容、电感、信号走线阻抗不连续,以及信号回流路径流过了意料之外的通路等,差模电流会转换成共模电流。

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2.3共模干扰产生原因

 

1. 电网串入共模干扰电压。

 

2. 辐射干扰(如雷电,设备电弧,附近电台,大功率辐射源)在信号线上感应出共模干扰,原因是交变的磁场产生交变的电流,地线-零线回路面积与地线-火线回路面积不相同,两个回路阻抗不同等原因造成电流大小不同。

 

3.接地电压不一样,简单的说就电位差而造就了共模干扰。

 

4.设备内部的线路对电源线造成的共模干扰。

 

 

2.4共模干扰电流

 

共模干扰一般是以共模干扰电流存在的形式出现的,一般情况下共模干扰电流产生的原因有三个方面:

 

1. 外界电磁场在电路走线中的所有导线上感应出来电压(这个电压相对于大地是等幅和同相的),由这个电压产生的电流。

 

 2. 由于电路走线两端的器件所接的地电位不同,在这个地电位差的驱动下产生的电流。

 

 3. 器件上的电路走线与大地之间有电位差,这样电路走线上会产生共模干扰电流。

 

 

2.5注意事项

 

1.器件如果在其电路走线上产生共模干扰电流,则电路走线会产生强烈的电磁辐射,对电子、电气产品元器件产生电磁干扰,影响产品的性能指标;

 

2.当电路不平衡时,共模干扰电流会转变为差模干扰电流,差模干扰电流对电路直接产生干扰影响。对于电子、电气产品电路中的信号线及其回路而言:差模干扰电流流过电路中的导线环路时,将引起差模干扰辐射,这种环路相当于小环天线,能向空间辐射磁场,或接收磁场。

 

3. 共模干扰主要集中在1MHz以上。这是由于共模干扰是通过空间感应到电缆上的,这种感应只有在较高频率时才容易发生。但有一种例外,当电缆从很强的磁场辐射源(例如,开关电源)旁边通过时,也会感应到频率较低的共模干扰。

 

 

三、如何抑制共模干扰

 

共模干扰作为EMC干扰中常见且危害较大的干扰,我们抑制它最直接的方法就是滤波。

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在电路中串入共模电感,当有共模干扰电流流经线圈时,由于共模干扰电流的同向性,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,以此衰减共模干扰电流,达到滤波的目的;

 

当电路中的正常差模电流流经共模电感时,电流在同相绕制的共模电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,因而对正常的差模电流基本没有衰减作用。

 

案例  USB 信号上的共模干扰抑制方法

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USB 端口的滤波处理-使用共模电感

 

USB 传输线上的信号是差分信号而干扰源是共模干扰信号,在传输线上串上共模电感能较好的抑制共模干扰,而对有用的差分信号没有任何衰减。

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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

 

如果共模干扰源是在电源回路,可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,则共模电容提供最短的路径使共模干扰信号被旁路,从而抑制共模干扰的产生。

 

如果电源回路同时还存在差模干扰,使用差模电容来抑制干扰。

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在电路中引入差模电容,则差模电容提供最短的路径使差模干扰信号被旁路,从而抑制差模干扰的产生。

 

共模干扰作为EMC干扰中常见且危害很大的干扰,抑制它的方法除了滤波外,还可以通过对信号线路进行屏蔽,在PCB 板上大面积铺地降低地线阻抗来减少共模信号强度等方法。

 

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