共模电流与差模电流

如图所示，由于对这两种干扰电流的滤波方法不相同，因此在进行滤波设计之前必须了解所面对的干扰电流。1共模干扰电流共模干扰电流定义为在任意（或全部）载流导线和参考地之间的无用电位差所形成的电流。干扰电流在电路走线中的所有导线上的幅度、相位相同，它在电路走线与大地之间形成的回路中流动。造成这种干扰电流的原因有：图 共模和差模电流 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； 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电流； 器件上的电路走线与大地之间有电位差，这样电路走线上会出现共模电流。由上面的介绍可知，共模电流不会对电路产生影响，只有当共模电流转变成差模电流（或电压）时，才对电路产生影响。这种情况会在电路不平衡的情况下发生。另外，器件如果在其电路走线上产生共模电流，则电路走线会产生强烈的电磁辐射，造成器件满足不了电磁兼容标准中对辐射的限制要求，对其他器件造成干扰。2差模干扰电流差模干扰电流定义为在任意两条载流导线之间的无用电位差所形成的电流。干扰电流在信号线与信号地线之间（或电源线的火线和零线之间）流动。在信号电路走线中，差模干扰电流是在外界电磁场中信号线和信号地线构成的回路中感应产生的。由于电路走线中的信号线与其地线靠得很近，形成的环路面积很小，所以外界电磁场感应的差模电流一股不会很大。在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其他电器的电源发射出的（特别是开关电源）和感性负载通断时产生的（其幅度往往很大）。差模干扰电流会直接影响器件的工作。当开关电源工作时，在电源线上既会产生很强的共模干扰，也会产生很强的差模干扰。1. 差模电流和共模电流关于辐射的一个重要基本观念是“电流导致辐射，而非电压”。静态电荷产生静电场，恒定电流产生磁场，时变电流即产生电场又产生磁场。在任何电路中都存在共模电流和差模电流。一般来说，差分模式信号携带数据或有用信号（信息）。共模模式是差分模式的负面效果。2. 差模电流大小相等，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。3. 共模电流大小不一定相等，方向（相位）相同。设备对外的干扰多以共模为主，差模干扰也存在，但是共模干扰强度常常比差模强度的大几个数量级。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干扰。 4. 共模电流和差模电流的磁场分布差模电流的磁场主要集中在差模电流构成的回路面积之内，而回路面积之外的磁力线会相互抵消；而共模电流的磁场，在回路面积之外，共模电流产生的磁场方向相同，磁场强度反而加强。这个概念非常重要，PCB的很多EMC设计都遵循这个规则。5. 差模辐射何共模辐射场强计算公式共模辐射场强： E =1.26 I L f / r其中： I为共模电流强度；L为共模电流路径长度；f为共模电流频率；r为测试点距离共模路径的距离。差模辐射场强： E = 6 .2 I A f 2/ r其中： I为差模电流强度；A为差模电流环路面积；f为差模电流频率；r为测试点距离差模环路的距离。7. 总结：在线路板上抑制干扰的途径有：1、 减小差模信号回路面积；2、 减小高频噪声电流（滤波、隔离及匹配）；3、 减小共模电压（接地设计）。共模电流的测量共模电流是设备产生辐射的主要原因。但是由于共模电流的形成过程十分复杂，并且共模电流都是设计意图之外的，因此很难通过理论分析来预测其强度。常用的方法是通过实验的方法确定电缆上的共模电流。设备准备：一台频谱分析仪、一个或两个电流卡钳（取决于厂家，电流卡钳的频率范围要覆盖所感兴趣的频率）和一条射频电缆。电流卡钳实际就是一个只有次级的变压器，它所卡住的电缆相当于变压器的初级。当卡住电缆时，电缆上的电流会在次级上感应出电压，这个电压送到频谱分析仪的输入端口上，由仪器测出幅度。方法：将频谱分析仪、电流卡钳、射频电缆按照图示连接起来；设置频谱分析仪的参数，包括：扫描频率范围、中频/视频带宽等，单位用dBmV；将待测电缆所连接的系统全部断电，把电流卡钳套在待测电缆上（这时测出的是共模电流），沿电缆滑动，同时观察频谱分析仪屏幕上的显示，记录下这时的背景。使待测电缆所连接的系统处于正常工作状态，重复步骤（3），与步骤（3）的结果比较，背景以外的信号就是电缆上的共模电流。查电流卡钳厂家提供的传输阻抗（Transfer Impedance）数据， 换算成dBW（许多厂家直接给出）；得到了共模电流以后，就可以用共模辐射的计算公式来计算在某个频率上的共模辐射强度了。电缆上的共模电流产生的原因点击次数：261 发布时间：2009-9-25 解决电缆问题的主要方法之一是对电缆进行屏蔽，但是屏蔽电缆应该怎样端接，怎样的屏蔽电缆才是有效的，等一系列问题是普遍关心而模糊的问题。本节讨论电缆的辐射问题、以及问题的对策。 电缆的辐射问题是工程中最常见的问题之一，90%以上的设备不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的。电缆产生辐射的机理有两种，一种是电缆中的信号电流回路产生的差模辐射，另一种是电缆中的导线上的共模电流产生的。电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路面积是由电缆与大地形成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射。共模电流是如何产生的往往是许多人困惑的问题。要理解这个问题，首先明确共模电压是导致共模电流的根本原因，共模电压就是电缆与大地之间的电压。从共模电压出发，寻找导致共模电流的原因就容易了，而导致一个问题的原因一旦清楚，解决这个问题就不是很困难了。 电缆上的共模电流产生的原因有以下几点：差模电流泄漏导致的共模电流.即使电缆中包含了信号回线，也不能保证信号电流100%从回线返回信号源，特别是在频率较高的场合，空间各种杂散参数为信号电流提供了第三条，甚至更多的返回路径。这种共模电流虽然所占的比例很小，但是由于辐射环路面积大，辐射是是不能忽视的。不要试图通过将电路与大地“断开”来减小共模电流，从而减小共模辐射。将电路与大地断开仅能够在低频减小共模电流，高频时寄生电容形成的通路已经阻抗很小。共模电流主要由杂散电容产生。当然，如果共模辐射的问题主要发生在低频，将线路板或机箱与大地断开会有一定效果。从共模电流产生的机理可知，减小这种共模电流的有效方法是减小差模回路的阻抗，从而促使大部分信号电流从信号地线返回。一般信号线与回线靠得越近，则差模电流回路的阻抗越小。 一个典型的例子就是同轴电缆，由于同轴电缆的回流电流均匀分布在外皮上，其等效电流与轴心重合，因此回路面积为零，差模阻抗接近为零，几乎100%的信号电流从同轴电缆的外皮返回信号源，共模电流几乎为零，所以共模辐射很小。另一方面，由于差模电流回路的面积几乎为零，差模辐射也很小，所以同轴电缆的辐射是很小的。对于高频信号，用同轴电缆传述可以避免辐射。实际上，这与我们传统上用同轴电缆传输高频信号，以减小信号的损耗的目的具有相同的本质。因为信号的损耗小了，自然说明泄漏的成份少了，而这部分泄漏就是电缆的辐射。线路板的地线噪声导致的共模电流。信号地线就是信号的回流线，因此，地线上的两点之间必然存在电压，对于高频电路而言，这些就是高频噪声电压，它作为共模电压驱动电缆上的共模电流，导致共模辐射。各种减小地线阻抗的设计方法，可以用来减小地线上的噪声，从而减小共模电压。一种推荐的方法是在电缆端口设置“干净地”。所谓干净地就是这块地线上没有可以产生噪声的电路，因此地线上的局部电位几乎相等。深圳市艾尔特通讯技术有限公司什么是共模干扰和差模干扰 电压电流的变化通过导线传输时有二种形态，我们将此称做共模和差模。设备的电源线，电话等的通信线，与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是地线。干扰电压和电流分为两种:一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输。前者叫差模，后者叫共模。什么是共模残压什么是共模残压 共模电压(common mode voltage):在每一导体和所规定的参照点之间（往往是大地或机架）出现的相量电压的平均值。或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压。 差模电压（symmetrical voltage）：一组规定的带电导体中任意两根之间的电压。使差模电压又称对称电压。 在规定波形，标称放电电流冲击氧化锌阀片，阀片两端测到的电压峰值，称为残压。残压与压敏电压的比值，残压比。雷击，闪电会在输入/输出电源线上产生瞬间高压，大电流，影响用户设备稳定运行，严重时会造成设备损坏。避雷器按接法分可分为共模接法和差模接法两种：避雷器接在相线之间或相线与零线之间称为差模接法，即所谓横向保护。避雷器接在相线与地线之间或零线与地线之间称为共模接法，即所谓纵向保护。共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。消除共模干扰的方法包括：（1）采用屏蔽双绞线并有效接地（2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽（3）布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线（4）不要和电控锁共用同一个电源（5）采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV图2对地电压/电流与差模、共模电压/电流之间的关系 【cio】- 2006/6/9 19:35:35图2对地电压/电流与差模、共模电压/电流之间的关系因此，当两根导线对地线电压或电流不同时，可通过下列方法求出两种模式的成分：N=（1-2）/2c=（1+2）/2N=（1-2）/2c=（1+2）/2通过被连接的电路，两根导线终端与地线之间存在着阻抗。这两条线的阻抗一旦不平衡，在终端就会出现模式的相互转换。即通过导线传递的一种模式在终端反射时，其中一部分会变换成另一种模式。另外，通常两根导线之间的间隔较小，导线与地线导体之间距离较大。所以若考虑从导线辐射的干扰，与差模电流产生的辐射相比，共模电流辐射的强度更大。与此相反，可以说因外部电磁场干扰在导线上产生的干扰电压/电流，或附近的导线等产生的静电感应、电磁感应等的耦合是一样的。问：传导噪声与辐射噪声的区别是什么？答：当我们开空调时，室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象，这是因为大量电流流向空调，电压急速下降，利用同一电源的荧光灯受到影响。还有使用吸尘器时收音机会出现啪啦啪啦的杂音。原因是吸尘器的马达产生的微弱（低强度高频的）电压/电流变化通过电源线传递进入收音机，以杂音的形式放了出来。这种由一个设备中产生的电压/电流通过电源线、信号线传导并影响其它设备时，将这个电压/电流的变化叫做“传导干扰”。所以为对症下药，通常采用的方法是给发生源及被干扰设备的电源线等安装滤波器，阻止传导干扰的传输。另外，当当信号线上出现噪声时，将信号线改为光纤，也可隔断传输途径。当摩托车从附近道路通过时，电视会出现雪花状干扰。这是因为摩托车点火装置的脉冲电流产生了电磁波，传到空间再传给附近的电视天线、电路上，产生了干扰电压/电流。象这种通过空间传播，并对其它设备电路产生无用电压/电流，造成危害的干扰称为“辐射干扰”。由于传播途径是空间，解决辐射干扰的方法除前面所讲的滤波之外，还要对设备进行屏蔽方能有效。如上所述，干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化，这种变化通过导线直接传递给其它设备，造成危害，这叫“传导干扰”。另外，由于电压电流变化而产生的电磁波通过空间传播到其它设备中，在电路或导线上产生不必要的电压/电流，并造成危害的干扰叫“辐射干扰”。但是，实际上并不能这样简单区分。例如：文字处理机或计算机等计算设备的干扰源，虽然是在设备内部电路上流动的数字信号的电压/电流，但这些干扰以传导干扰的方式通过电源线或信号线泄漏，直接传递给其他设备。同时这些导线产生的电磁波以辐射干扰的形式危及附近的设备。而且计算设备本身内部电路也产生电磁波，以辐射干扰的形式危及其他设备。最后，就辐射干扰再做一些较详细的说明。根据天线原理，如果导线的长度与波长相等，则容易产生电磁波。例如：数米长的电源线会产生VHF频带（30M-300MHz）的辐射干扰。在比此频率低的频带内，因波长较长，当电源线中流过同样的电流时，不会辐射太强的电磁波。所以在30MZz以下的低频带主要是传导干扰。但是，伴随着传导干扰会在电源线周围产生干扰磁场，给AM广播等带来干扰。另外，如前所述，由于在VHF宽带内电源线泄漏的干扰能转变成电磁波扩散到空间，因此辐射干扰成为比传导干扰更主要的问题。在比此更高的频率上，比电源线尺寸更小的设备内部电路会产生辐射干扰，危害其它设备。总而言之，当设备和导线的长度比波长短时，主要问题是传导干扰，当它们的尺寸比波长长时，主要问题是辐射干扰。问：为何要对电磁干扰发射加以规范？实际中真会出现危害吗？答：无线电频谱是人类共有的有限资源。为了有效利用这些资源、保护为开展必要的无线电业务（如：广播，移动、固定、无绳电话，无线导航业务等）而使用的无线电频谱，必须限制无用的干扰波（如：电子望远镜泄漏的基波及高次谐波，接收机本地振荡器的辐射，信息技术设备泄漏的高频信号，冰箱、洗衣机、食品绞汁机、烤面包器等工作时辐射的无线电频谱）的辐射。而且为了今后进一步合理利用、开展无线电业务，必须确保频率频谱不被侵占。首先，要决定应该保护的无线电业务电场强度水平及检测干扰的临界值，考虑干扰源和受扰设备位置关系（保护距离）等能够容许的干扰强度。其次，应以所有容许的干扰强度为基准进行系统设计，使即使有干扰波侵入也不发生误动作。因此，首先要保证无用的干扰波发射不要超过限制规定；其次必须预先掌握能够容许的干扰波强度。当然，在系统设计阶段就要非常关注能使用的频率频谱。使用广播接收机时事前就要考虑本地振荡频率，工业、科研及医用无线频谱设备事前都要确认能使用的频率频谱。但对数字设备、马达应用设备及有开关触点的设备（烤面包机等使用恒温器的设备），由于其频率频谱带宽，有可能进入规定的频谱中。所以主管电波管理的行政部门要制定限制对电磁发射的容许值。但其中重要的是在计算容许值时，没有考虑自家同时使用有可能成为干扰源的设备和受扰设备的情况。以不会给第三者带来干扰为前提确定的容许值。为此，我们引进了一个概念保护距离。即应该知晓在某种条件下使用设备时，仍可能会产生干扰。如前所述，在高度发达的信息社会，为了保护广义上的信息传输设备，为了有效利用所需的频率频谱，应该尽可能地限制无用的干扰波。问：辐射干扰及传导干扰的规定值是如何确定的？答：通过电源线传导的“传导干扰”和通过空间传播的“辐射干扰”会影响其它设备，当这些干扰较强时，便被TV、收音机接收，成为干扰波。这里要研究的是多强的干扰可以不与理会。如表1、2所列，在FCCPart15中规定了传导干扰限值和非功能辐射器辐射出的电磁波的限值。顺便说一下，即使是符合FCC及VCCI的辐射干扰规定的设备，在其附近的地方放置收音机也能听到杂音。例如：将符合3m法规定的设备放在AM收音机附近，如30cm时，由于20log（3/0.3）=20dB，因此辐射干扰增加20dB，收音机受到干扰的机会增大。举例来说：A级设备在80MHz频率处，即使以80V/m的辐射强度合格，当距离减小为30cm时，其辐射强度便成为800V/m，是标准值100V/m的8倍（高出18.1dB）。作为干扰足以被收音机接收到。再者，干扰电波具有一种特性，当从发生源很近的地方附近移开时，先以距离三次方的速率衰减，稍远些时，以距离的二次方速率衰减，最后随距离线性衰减。相反，随着距离的减小，当靠近干扰源时，干扰强度就会急剧增加。具有法律约束的“EMI标准”主要着眼点是抑制对分配的无线频率产生干扰的RFI干扰。也就是说，要对广播电视、飞机导航、紧急无线等国家认可的“无线通讯”产生干扰的电波加以限制。可以这样解释，受到干扰的“无线通讯”能够忍受的最大限值。即使满足了工作需要，因使用条件不同，仍存在着引起干扰的危险性，因此可以理解是“限度值”。将此与以将国际标准内容统一为目标的CISPR相比较略有不同。CISPR是各国代表自由审议产生的。各国EMI标准反映了各自国家的具体情况，最终要由各国自己制定（德国、美国以法律形式，日本的VCCI自行制定）。CISPR公布的内容无法律约束力。虽说如此，但最近各国仍在协商妥协，这种倾向今后还会继续下去。共模、差模信号的关键特性和噪音的抑制方法时间:2009-10-26 来源: 作者: 点击：2020 字体大小:【大中小】1 引言 了解共模和差模信号之间的差别,对正确理解脉冲磁路和工作模块之间的关系是至关重要的。变压器、共模扼流圈和自耦变压器的端接法,对在局域网（LAN）和通信接口电路中减小共模干扰起关键作用。共模噪音在用无屏蔽对绞电缆线的通信系统中,是引起射频干扰的主要因素,所以了解共模噪音将有利于更好地了解我们关心的磁性界面的电磁兼容论点。本文的主要目的是阐述差模和共模信号的关键特性和共模扼流圈、自耦变压器端接法主要用途,以及为什么共模信号在无屏蔽对绞电缆线上会引起噪音发射。在介绍这些信号特点的同时,还介绍了抑制一般噪音常用的方法。2 差模和共模信号我们研究简单的两线电缆,在它的终端接有负载阻抗。每一线对地的电压用符号V1和V2来表示。差模信号分量是VDIFF,共模信号分量是VCOM,电缆和地之间存在的寄生电容是Cp。其电路如图1所示,其波形如图2所示。2.1 差模信号纯差模信号是：V1=-V2 （1）大小相等,相位差是180VDIFF=V1V2 （2）因为V1和V2对地是对称的,所以地线上没有电流流过。所有的差模电流（IDIFF）全流过负载。在以电缆传输信号时,差模信号是作为携带信息“想要”的信号。局域网（LAN）和通信中应用的无线收发机的结构中安装的都是差模器件。两个电压（V1V2）瞬时值之和总是等于零。2.2 共模信号纯共模信号是：V1=V2=VCOM （3）大小相等,相位差为0V3=0 （4）共模信号的电路如图3所示,其波形如图4所示。因为在负载两端没有电位差,所以没有电流流过负载。所有的共模电流都通过电缆和地之间的寄生电容流向地线。在以电缆传输信号时,因为共模信号不携带信息,所以它是“不想要”的信号。两个电压瞬时值之和（V1V2）不等于零。相对于地而言,每一电缆上都有变化的电位差。这变化的电位差就会从电缆上发射电磁波。3 差模和共模信号及其在无屏蔽对绞线中的EMC 在对绞电缆线中的每一根导线是以双螺旋形结构相互缠绕着。流过每根导线的电流所产生的磁场受螺旋形的制约。流过对绞线中每一根导线的电流方向,决定每对导线发射噪音的程度。在每对导线上流过差模和共模电流所引起的发射程度是不同的,差模电流引起的噪音发射是较小的,所以噪音主要是由共模电流决定。3.1 对绞线中的差模信号 对纯差模信号而言,它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传送。如果这一对导线是均匀的缠绕,这些相反的电流就会产生大小相等,反向极化的磁场,使它的输出互相抵消。在无屏蔽对绞线系统中的差模信号如图5所示。在无屏蔽对绞线中,不含噪音的差模信号不产生射频干扰。3.2 对绞线中的共模信号 共模电流ICOM在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容Cp到地返回。在这种情况下,电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消。如图6所示,共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场,它的作用正如天线一样。在无屏蔽对绞线中,共模信号产生射频干扰。3.3 电缆线上产生的共模、差模噪音及其EMC电子设备中电缆线上的噪音有从电源电缆和信号电缆上产生的辐射噪音和传导噪音两大类。这两大类中又分为共模噪音和差模噪音两种1。差模传导噪音是电子设备内部噪音电压产生的与信号电流或电源电流相同路径的噪音电流,如图7所示。减小这种噪音的方法是在信号线和电源线上串联差模扼流圈、并联电容或用电容和电感组成低通滤波器,来减小高频的噪音,如图8所示。 差模辐射噪音是图7电缆中的信号电流环路所产生的辐射。这种噪音产生的电场强度与电缆到观测点的距离成反比,与频率的平方成正比,与电流和电流环路的面积成正比。因此,减小这种辐射的方法是在信号输入端加LC低通滤波器阻止噪音电流流进电缆;使用屏蔽电缆或扁平电缆,在相邻的导线中传输回流电流和信号电流,使环路面积减小。 共模传导噪音是在设备内噪音电压的驱动下,经过大地与设备之间的寄生电容,在大地与电缆之间流动的噪音电流产生的,如图9所示。减小共模传导噪音的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈、在地与导线之间并联电容器、组成LC滤波器进行滤波,滤去共模传导噪声。其电路如图10所示。共模扼流圈是将电源线的零线和火线（或回流线和信号线）同方向绕在铁氧体磁芯上构成的,它对线间流动的差模信号电流和电源电流阻抗很小,而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗则很大。共模辐射噪音是由于电缆端口上有共模电压,在其驱动下,从大地到电缆之间有共模电流流动而产生的。辐射的电场强度与电缆到观测点的距离成反比,（当电缆长度比电流的波长短时）与频率和电缆的长度成正比。减小这种辐射的方法有：通过在线路板上使用地线面来降低地线阻抗,在电缆的端口处使用LC低通滤波器或共模扼流圈。另外,尽量缩短电缆的长度和使用屏蔽电缆也能减小辐射。在有些电路中也可接入图11所示的抗干扰变压器来防止差模和共模噪音。4 变压器与噪音传导 理想变压器理论上是完美的电路元件,它能用完美的磁耦合在初级和次级绕组之间传送电能。理想变压器只能传送交变的差模电流。它不能传送共模电流,因为共模电流在变压器绕组两端的电位差为零,不能在变压器绕组上产生磁场。 实际变压器初级和次级绕组之间有一个很小但不等于零的耦合电容CWW,见图12。这个电容是绕组之间存在非电介质和物理间隙所产生的。增加绕组之间的空隙和用低介电常数的材料填满绕组之间的空间就能减小绕组之间电容的数值。电容Cww为共模电流提供一条穿过变压器的通道,其阻抗是由电容量的大小和信号频率来决定的。5 共模扼流圈 对于理想的单磁芯、双绕组的共模扼流圈,将不考虑在实际扼流圈中或多或少存在的杂散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影响。这样的假设是合理的,因为一个好的扼流圈设计,它的杂散阻抗和电路的源阻抗、负载阻抗相比是可以忽略的。5.1 理想共模扼流圈对差模信号的效应 差模电流以相反的方向流过共模扼流圈的绕阻,建立大小相等,极性相反的磁场,它能使输出相互抵消,见图13。这就使共模扼流圈对差模信号的阻抗为零。差模信号能不受阻地通过共模扼流圈。5.2 理想共模扼流圈对共模信号的效应 共模电流以相同的方向流过共模扼流圈绕组的每一边,见图14,它建立大小相等相位相同的相加磁场。这一结果就使共模扼流圈对共模信号呈现高阻抗,使通过共模扼流圈的共模电流大大地减弱。实际减弱量（或共模抑制量）取决于共模扼流圈阻抗和负载阻抗大小之比。6 有中心抽头的自耦变压器 自耦变压器是以定向电流传递方式实现能量传输的。对于理想的自耦变压器2,不考虑实际或多或少存在的杂散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影响。这样的假设是合理的,因为一个好的自耦变压器设计,它的杂散阻抗和电路的源阻抗、负载阻抗相比是可以忽略的。6.1 理想自耦变压器对差模信号的效应 从差模信号看,有中心抽头的自耦变压器是两个在相位上相同的对分绕组,见图15。这就意味差模电流在其中所形成的磁场,会使其对差模电流呈现高阻抗。相当于对差模信号并联了一个高阻值的阻抗,它对差模信号的大小没有影响。6.2 理想自耦变压器对共模信号的效应 从共模信号看,有中心抽头的自耦变压器是两个在相位上相反的对分绕组,见图16。这就意味共模电流在其中会形成大小相等相位相反的磁场,这一磁场会使共模电流的输出互相抵消。对共模信号呈现零阻抗效应,使共模信号直接短路到地。7 减小电磁干扰的一些常用方法 通常都是在电路设计、印制板布线上想办法来减小电磁干扰或在机箱上增加屏蔽、采用有中心线的共模扼流圈等方法来减小电磁干扰。7.1 屏蔽 用金属材料将机箱内部产生的噪音封闭起来的方法称为屏蔽。屏蔽对防止外部噪音进入机箱也是同样有效的。电场屏蔽和磁场屏蔽的方法是不同的。 电场屏蔽是用导体将噪音源包围起来,然后接地,就能达到屏蔽的目的。由于导体表面的反射损耗很大,因此很薄的材料（铝箔、铜箔）也有很好的屏蔽效果。另外,机箱上即使有缝隙,也不会产生太大的影响。 磁场屏蔽主要用来屏蔽低频磁场的干扰,这种干扰是由交流电流或直流电流产生的。例如,感应炼钢炉中有数万安培的电流通过,在炉周围产生很强的磁场,这个强磁场会使控制系统中的磁敏器件失灵。最常见的磁敏器件是彩色CRT显示器,在磁场的作用下,显示器屏幕上的图象颜色会失真,图象会产生抖动,导致显示质量严重降低,甚至无法使用。低频磁场往往随距离的增加而衰减很快,因此在很多场合,将磁敏器件远离磁场源是减小磁场干扰的十分有效的措施。但当空间的限制而无法采取这个方法时,屏蔽也是一个十分有效的措施。要注意的是,低频磁场屏蔽与射频磁场屏蔽是完全不同的,射频磁场的屏蔽使用导电率高的材料如铍铜复合材料、银、锡或铝等材料,把它完全封闭起来,就可以了。但这些材料对低频磁场没有任何屏蔽作用。只有高导磁率的铁磁合金才能屏蔽直流磁场或低频磁场。 根据电磁屏蔽的基本原理,低频磁场由于其频率低,吸收损耗很小,趋肤效应很小,并且由于其波阻抗很低,反射损耗也很小,因此单纯靠反射和吸收很难获得需要的屏蔽效果。对这种低频磁场,要通过使用高导磁率材料为磁场提供一条磁阻很低的旁路来实现屏蔽,这样空间的磁场便会集中在屏蔽材料中,从而使磁敏器件免受磁场干扰。 高导磁率材料在机械的冲击下会极大地损失磁性,导致屏蔽效能下降。因此,屏蔽体在经过机械加工（如折弯、焊接、敲击、钻孔等）后,必须经过热处理以恢复磁性。热处理要在特定条件下进行,一般要在干燥氢气炉中以一定的速率加热到1177,保持4个小时,然后以一定的速率降低到室温。 在对拼连接处进行焊接时,要使用屏蔽材料母料做焊接填充料,这样可以保证焊缝处的高导磁。如果屏蔽效能要求较低,也可以采用铆接或点焊的方式固定,但要注意拼接处的屏蔽材料要有一定的重叠,以保证磁路上较小的磁阻。 当需要屏蔽的磁场很强时,仅用单层屏蔽材料,达不到屏蔽要求。这时,一种方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用组合屏蔽,将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内,它们之间留有气隙。气隙内可以填充任何非导磁材料（如铝）做支撑。组合屏蔽的屏蔽效果比单个屏蔽体高得多,因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程度。7.2 电路设计 由于时钟频率越高,高频能量的发射越强,因此在数字电路中不要使用过高的时钟频率。印制板上的总线、较大的环路面积和较长的导线都是强辐射源,因此,除非必要,要尽量避免这些情况的出现。使用大规模集成电路能够大幅度减少印制板上的走线,从而减小辐射。在选用集成电路时,也有些问题需要注意。例如,高速肖特基电路由于脉冲上升时间很短,因此会在很高的频率范围内产生发射。在功能允许的条件下,尽量使用标准型电路。电路设计时要最大限度地保持数字线和信号线分离。信号通道必须远离输入输出线以防止数字线上开关噪音辐射到信号线上。7.3 印制板的设计 在印制板上合适的放置元器件与合理的安排印制板走线是很关键的。有些元器件,特别是磁性元件（如滤波器）在一个方向比其它方向可能有更大的磁场。元器件相互之间成90放置,磁场相互抵消并减小噪音辐射。开关器件远离磁性元件也能减小噪音辐射。印制板上的走线也是主要的辐射源。走线产生辐射主要是由于逻辑电路中电流的突变,在走线的电感上产生感应电压,这个电压会产生较强的噪音辐射。另外,由于走线起着发射天线的作用,因此走线的长度越长,辐射的噪音越多。短的走线比长的走线辐射少。粗的走线比细的走线噪音辐射少。所以使走线尽可能地短,从而把走线的自感减到最小是很必要的。7.4 采用有中心线的共模扼流圈 减少和改善噪音的另一种方法,特别是对高频段,是在传输频道上用有中心线的共模扼流圈,如图17所示。 共模扼流圈的耦合电容对中心线的每一边是对称的。变压器的次级具有分路,这分路有助于变压器的次级绕组的分布电容更好地控制传输频道上的返回损耗。它还可以在高频段提供一阻尼的下凹,其频率范围出现在(700900)MHz之间,这个范围也可以进行控制,典型的响应曲线见图18。开关电源有源共模EMI滤波器研究及其应用1、引言传统的开关电源大多使用由分立的共模电感、差模电感和X，Y电容等构成单级或多级的无源滤波器，这些滤波器无一例外地均应用了较多的无源元件，如滤波电感和电容。而且由于国际上对电磁兼容的标准越来越严格，许多时候一级滤波器不能满足电磁兼容的要求，而必须使用两级或者多级，这就增大了无源滤波器的体积，从而也增大了损耗。此外，由于无源组件的分布电容和引线电感等分布参数(如差、共模电感的绕组分布电容和滤波电容的串联等效电感等)对滤波效果影响都很大，特别是在高频区域段，这些分布参数的影响会更加严重，且难以控制，从而大大衰减了高频滤波特性。作为共模和差模滤波电感的主要元件磁芯，其电磁参数具有频变特性，并且磁芯本身的性能也受到工艺水平及制作材料的限制，这给它的应用带来了诸多限制。因此，如何在提高开关电源的功率密度和开关频率，实现开关电源模块化和集成化的同时，解决由此引起的更加严重的电磁干扰则是电力电子技术研发人员面临的关键问题。总体看，传统的无源EMI滤波器存在下述不足：体积大，造价高，因此不能满足开关电源日益小型化、高密度化的需要;无源滤波器的衰减频带较窄，在低频段要靠增大电感和电容值来提高其插入损耗，而在高频段由于分布参数的影响有可能引起不必要的振荡而影响到滤波特性;当今要求开关电源成为体积小，重量轻，效率高，可靠性高，功率密度高的“绿色电源”，但由于作为开关电源重要组成部分的滤波器，体积的减小是有限度的，因此制约了开关电源的发展。无源滤波器的上述缺点注定它在电磁污染日益严重的今天不能满足滤波技术的需要。而有源EMI滤波器，采用了有源消去技术，很好地抑制了EMI噪声电流，并可对它进行动态补偿和调整，且不会对系统的稳定性造成不利影响;此外，与无源滤波器相比，由于有源EMI滤波器采用了半导体器件和电子电路，因而可使体积变小，重量变轻，这有利于集成封装，所以已成为业界对其进行研究的一种新趋势和发展方向2、开关电源有源共模EMI滤波器2.1有源共模EMI滤波器基本原理有源EMI滤波技术的实质是对噪声信号进行实时补偿。这里提出的有源共模EMI滤波器(ActiveCommon-modeFilter，简称ACMF)基本原理是先采样共模信号，然后通过反馈，动态输出一个与所采样的噪声电流(电压)大小相等、方向相反的补偿电流(电压)，其实质是为共模电流提供一个极低阻抗的内部回路。图1示出其原理图。其中，Path1指共模噪声源S1通过分布电容CD流入地的共模电流路径，在无滤波器时共模噪声inoise将通过CP全部注入地。ACMF将产生一个补偿电流，为inoise提供低阻抗分流支路Path2，从而使其尽量沿Path2路径流过。理想时icomp=-inoise，可使流入地的共模电流为零，从而达到衰减共模电流的目的，以满足电磁干扰的标准。 img=435,173/UploadFile/2010111910520282.jpg/img2.2ACMF设计分析了传统无源电磁干扰(ElectromagneticInterference，简称EMl)滤波器的缺点，提出有源共模滤波器的设计思想，并分析了其工作原理。以一台反激式开关电源为对象，研究上述开关电源ACMF的设计与应用。图2a示出ACMF在开关电源系统中的连接。图中，用虚线连接于反激式电源变压器初次级地之间的共模滤波电容Cy具有较好滤波效果，但因受漏电流安规要求的限制，其值不能太大。在此拟用提出的ACMF取代Cy，以增强对共模干扰的滤波效果。图2b示出ACMF的具体电路。它由一个宽带高速运算放大器U为核心的器件构成。由于ACMF网络处理共模干扰信号的特殊性，所以对电路中一些元器件的选择也存在一些特殊要求。ACMF电路中关键元器件的选取和设计如下： img=377,365/UploadFile/20101119105211907.jpg/img(1)运算放大器U的选择因为共模干扰的频谱范围较宽，所以要求处理它的运算放大器的频带宽，响应速度快，对输入电压中的共模电压有较高的抑制，并能输出较大的电流。这里选择单位增益可达200MHz，输出电流为l00mA的高速电压反馈式运放LM7171，它的工作电压较宽，为5.5-36V。通常情况下，开关电源的高频变压器都会有一个辅助绕组给PWM/PFM控制芯片提供电源，这样运算放大器的工作电压可直接从该辅助绕组经整流后获得，如图2a中的#1，接至绕组后，就在#1与#2之间很方便地给运算放大器提供工作电源。(2)负反馈网络参数的确定由于ACMF网络采用电压检测、电流补偿，可写出ACMF的增益Aiv为： img=292,50/UploadFile/20101119105350494.jpg/img设#2，#3之间的阻抗为Z，则： img=337,49/UploadFile/20101119105356597.jpg/img为便于分析，设 img=278,45/UploadFile/20101119105418429.jpg/img则Z可进一步表示为： img=140,42/UploadFile/20101119105438535.jpg/img若能使Z=0，则UAB=0，从而实