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EMC共模干扰处理,共模扼流圈的应用和选型。

共模信号是两个大小相等、方向相同的信号。(线与地之间的干扰)差模信号是两个大小相等、方向相反的信号。(两条线之间的干扰)差模,又称串模,是指两条线之间的信号差;共模噪声又称对地噪声,是指两条线分别对地的噪声。

差模信号:范围相等,相位相反。

共模信号:相等幅度,相位相同。

由于EMC解决的问题大多是共模干扰,所以共模电感(共模扼流圈)也是我们常用的有力元件之一。

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共模电感(Common mode Choke),它也被称为共模扼流圈,通常用于过滤计算机开关电源中共模的电磁干扰信号。在板卡设计中,共模电感也在上升EMI滤波的作用,用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。

共模电感是一种以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器。它由两个相同尺寸和相同匝数的线圈对称地缠绕在同一个铁氧体环形磁芯上,形成一个四端装置。它应抑制共模信号的大电感,但对于差模信号的小泄漏电感几乎不起作用。

原理是通过共模电流时,磁环中的磁通量相互叠加,具有相当大的电感,抑制共模电流。当两个线圈通过差模电流时,磁环中的磁通量相互抵消,几乎没有电感,因此差模电流可以无衰减地通过。因此,共模电感能有效抑制平衡线中的共模干扰信号,对线路正常传输的差模信号无影响。

当共模成分流过共模电感时,根据右手定则,在两个线圈中形成相同方向的磁场,相互加强,相当于对共模信号的高感应阻力;· 当差模成分流过共模电感时,根据右手定则,在两个线圈中形成相反方向的磁场,相互抵消,相当于对差模信号的应阻力。

另一种理解方式:当V 通过频率共模干扰形成的交变磁场会在另一个线圈上形成感应电流。根据左手规则,感应电流的方向和方向V-相反,上共模干扰的方向抵消了部分,减少了共模干扰。

220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等。用于过滤共模干扰,有用的差分信号衰减较小。

直流阻抗应较低,不能对电压或有用信号产生较大影响;· 对于电源线,应考虑额定电压和电流,以满足工作要求;· 通过测试确定共模干扰的频段,共模阻抗应较高;· 差模阻抗小,对差分信号质量影响不大;.共模电感通常取8-33mH。

考虑包装尺寸,做兼容性设计。USB对于信号共模电感,封装可与两个0402电阻兼容,无需共模电感时,可直接焊接0402电阻,降低成本。

● 开关电源产生的共模噪声频率范围为10kHz~50MHz为了有效地减少这些噪声,共模电感器需要在这个频率范围内提供足够高的感应阻力。

●如上图所示,共模和差模电感器电路也是开关电源交流市电输入电路EMI电路中的滤波器L1、L二是差模电感器,L3和L4为共模电感器,C1为×电容,C2和C3为Y电容,输入220V交流市电,输出电压加到整流电路中。

(1) 通过共模电感器分析正常交流电流。如上图所示,220V交流电是差模电流,它流过共模线圈L3和L4的方向如图所示。相反,两个线圈中电流产生的磁场方向被抵消。此时,正常信号电流主要受线圈电阻(影响很小)和少量泄漏引起的阻尼(电感)的影响,加上220V交流电的频率只有50Hz,共模电感器电感不大,因此,共模电感器对正常的220交流电感抗性很小,不影响220V整机交流电供电。

(2)共模电流通过共模电感分析。当共模电流通过共模电感时,电流方向如上图所示。由于共模电感器中共模电流的相同方向,线圈L3和L在同一方向产生磁场的4中,增加了线圈L3、L4电感量,即增加L3、L4对共模电流的感抗,使共模电流受到了更大的抑制,达到衰减共模电流的目的,起到了抑制共模干扰噪声的作用。

加两个Y电容C2和C3.共模干扰噪声的滤波效应明显抑制了共模干扰。

如上图所示,差模电感器电路,差模电感器L1、L2与×电容串联构成电路,因为L1、L2对差模高频干扰的感应阻力大,X电容C1对高频干扰的容抗性较小,从而过滤差模干扰噪声,而不是添加到后电路中,以抑制差模高频干扰噪声。

PS:对于理想的电感模型,当线圈完成时,所有磁通量都集中在线圈的中心。但通常环形线圈不会绕过一周,或绕组不紧密,导致磁通量泄漏。共模电感器有两个绕组,间隙相当大,导致磁通量泄漏,形成差模电感器。因此,共模电感器一般具有一定的差模干扰衰减能力。

在滤波器的设计中,我们也可以使用泄漏感。例如,在普通滤波器中,只安装一个共模电感,利用共模电感的泄漏感产生适量的差模电感,抑制差模电流。有时,为了达到更好的滤波效果,需要人工增加共模扼流圈的泄漏感,提高差模电感。

制作共模电感时应满足以下要求:

1)绕线圈磁芯上的导线应相互绝缘,以确保线圈匝间在瞬时过电压作用下不会发生短路。

2)当线圈流过瞬时大电流时,磁芯不应饱和。

3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘,以防止两者在瞬时过电压下击穿。

4)线圈应尽可能绕组单层,以减少线圈的寄生电容,增强线圈授予瞬时过电压的能力。

通常情况下,同时注意选择所需滤波的频段,共模阻抗越大越好,因此我们在选择共模电感时需要看器件资料,主要根据阻抗频率曲线选择。另外选择时注意考虑差模阻抗对信号的影响,主要关注差模阻抗,特别注意高速端口。

随着电子设备、计算机和家用电器的出现和广泛普及,电网噪声干扰日益严重,形成公共危害。特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅高(数百伏至数千伏)、随机性强,容易严重干扰微机和数字电路,往往难以预防,引起了国内外电子行业的高度关注。

电磁干扰滤波器(EMI Filter)它是近年来推广和应用的一种新型组合设备。能有效抑制电网噪声,提高电子设备的抗干扰能力和系统的可靠性,广泛应用于电子测量仪器、计算机房设备、开关电源、测控系统等领域。

三、电磁干扰滤波器(EMI Filter)

● 1 电磁干扰滤波器的结构原理及应用

●1.11 构造原理

电源噪声是一种电磁干扰,其传导噪声的频谱约为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。根据不同的传输方向,电源噪声可分为两类:一类是从电源线引入的外部干扰,另一类是由电子设备产生并通过电源线传输的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号,电子设备既是噪声干扰的对象,也是噪声源。从形成特征来看,噪声干扰分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声,共模干扰是两条电源线对地(简称线对地)的噪声。因此,电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)要求还必须是双向射频滤波器。一方面,它应过滤从交流电源线引入的外部电磁干扰,另一方面,它也可以避免设备对外部的噪声干扰,以免影响其他电子设备在同一电磁环境下的正常运行。此外,电磁干扰滤波器可以抑制串模和共模干扰。

●1.2 基本电路和典型应用

●电磁干扰滤波器的基本电路如图1所示。

五端设备有两个输入端、两个输出端和一个接地端,使用时外壳应与地面连接。电路包括共模扼流圈(也称共模电感)L、滤波电容C1~C4。L串模干扰不起作用,但当共模干扰发生时,由于两个线圈的磁通方向相同,耦合后总电感量迅速增加,对共模信号具有很大的感应阻力,不易通过,因此称为共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上,当有电流通过时,两个线圈上的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI参见表1。

图2 两级复合式EMI滤波器

需要指出的是,当额定电流较大时,共模扼流圈的线径应相应增大,以承受较大的电流。此外,适当增加电感可以改善低频衰减。C1和C2.薄膜电容器的容量范围约为0.01Μf~0.47μF,主要用于过滤串模干扰。C3和C输出端跨接地,电容器中点接地,能有效抑制共模干扰。C3和C4也可瓷电容器也可以并联在输入端,容量范围为2200Pf~0.1μF。为减少漏电流,电容不得超过0.1μF,而且电容器的中点应与连接。C1~C4的耐压值为630VDC或250VAC。

图2显示了两级复合材料EMI由于滤波器的内部电路采用两级(也称为两段)滤波器,因此滤波效果更好。鉴于部分用户存在数千赫兹重复频率的快速瞬态群脉冲干扰问题,国内外还开发了群脉冲滤波器(也称为群脉冲对抗器),可抑制上述干扰作用。

●  2 EMI滤波器在开关电源中的应用

为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路如图3所示 。

图(a)与图(b)中的电容器C能滤除串模干扰,区别仅是图(a)将C接在输入端, 图(b)则接到输出端。图(c)、(d)所示电路较复杂,抑制干扰的效果更佳。图(c)中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。图(d)则是把共模干扰滤波电容C3和C4接在输出端。EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。

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