EMC共模干擾處理，共模扼流圈的應(yīng)用和選型

先看看幾個概念：

共模信號就是二個大小相等、方向相同的信號。(線地之間的干擾)差模信號就是二個大小相等、方向相反的信號。(線線之間的干擾)差模又稱串模，指的是兩根線之間的信號差值;而共模噪聲又稱對地噪聲，指的是兩根線分別對地的噪聲。

差模信號：幅度相等，相位相反的信號。

共模信號：幅度相等，相位相同的信號。

由于EMC所面臨解決問題大多是共模干擾，因此共模電感(共模扼流圈)也是我們常用的有力元件之一。

1、共模電感(共模扼流圈)

共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于電腦的開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號。在板卡設(shè)計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件，要對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。

共模扼流圈

原理是流過共模電流時磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當(dāng)兩線圈流過差模電流時，磁環(huán)中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響。

如上圖所示的共模電感：

· 當(dāng)有共模成分流過共模電感時，根據(jù)右手定則，會在兩個線圈形成方向相同的磁場，相互加強(qiáng)，相當(dāng)于對共模信號存在較高的感抗;· 當(dāng)有差模成分流過共模電感時，根據(jù)右手定則，會在兩個線圈形成方向相反的磁場，相互抵消，相當(dāng)于對差模信號存在較低的感抗。

換一個方式理解：當(dāng)V+上流過一個頻率的共模干擾，形成的交變磁場，會在另一個線圈上形成一個感應(yīng)電流，根據(jù)左手定則，感應(yīng)電流的方向與V-上共模干擾的方向相反，就抵消了一部分，減小了共模干擾。

共模電感主要用于雙線或者差分系統(tǒng)，如220V市電、CAN總線、USB信號、HDMI信號等等。用于濾除共模干擾，同時有用的差分信號衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點：

· 直流阻抗要低，不能對電壓或有用信號產(chǎn)生較大影響;· 用于電源線的話，要考慮額定電壓和電流，滿足工作要求;· 通過測試確定共模干擾的頻段，在該頻段內(nèi)共模阻抗應(yīng)該較高;· 差模阻抗要小，不能對差分信號的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響;.共模電感通常取8-33mH

· 考慮封裝尺寸，做兼容性設(shè)計。例如用于USB信號的共模電感，選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容，不需要共模電感時，可以直接焊0402電阻，降低成本。

2、共模扼流圈的應(yīng)用

開關(guān)電源產(chǎn)生的共模噪聲頻率范圍從10kHz~50MHz甚至更高，為了有效衰減這些噪聲，要求在這個頻率范圍內(nèi)共模電感器能夠提供足夠高的感抗。

如上圖所示是共模和差模電感器電路，這也是開關(guān)電源交流市電輸入回路中的EMI濾波器，電路中的L1、L2是差模電感器，L3和L4為共模電感器，C1為×電容，C2和C3為Y電容，該電路輸入220V交流市電，輸出電壓加到整流電路中。

(1) 正常的交流電流流過共模電感器分析。如上圖所示，220V交流電是差模電流，它流過共模線圈L3和L4的方向如圖中所示，兩線圈中電流產(chǎn)生的磁場方向相反而抵消，這時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(這一影響很小)，以及少量因漏感造成的阻尼(電感)，加上220V交流電的頻率只有50Hz，共模電感器電感量不大，所以共模電感器對于正常的220交流電感抗很小，不影響220V交流電對整機(jī)的供電。

(2)共模電流流過共模電感器分析。當(dāng)共模電流流過共模電感時，電流方向如上圖所示，由于共模電流在共模電感器中的同方向，線圈L3和L4內(nèi)產(chǎn)生同方向的磁場，這時增大了線圈L3、L4電感量，也就是增大了L3、L4對共模電流的感抗，使共模電流受到了更大的抑制，達(dá)到衰減共模電流的目的，起到了抑制共模干擾噪聲的作用。

加上二只Y電容C2和C3對共模干擾噪聲的濾波作用，使共模干擾得到了明顯的抑制。

(3) 差模電感器電路

如上圖所示是差模電感器電路，差模電感器L1、L2與×電容串聯(lián)構(gòu)成回路，因為L1、L2對差模高頻干擾的感抗大，而X電容C1對高頻干擾的容抗小，這樣將差模干擾噪聲濾除，而不能加到后面的電路中，達(dá)到抑制差模高頻干擾噪聲的目的。

PS：對理想的電感模型而言，當(dāng)線圈繞完后，所有磁通都集中在線圈的中心內(nèi)。但通常情況下環(huán)形線圈不會繞滿一周，或繞制不緊密，這樣會引起磁通的泄漏。共模電感有兩個繞組，其間有相當(dāng)大的間隙，這樣就會產(chǎn)生磁通泄漏，并形成差模電感。因此，共模電感一般也具有一定的差模干擾衰減能力。

在濾波器的設(shè)計中，我們也可以利用漏感。如在普通的濾波器中，僅安裝一個共模電感，利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感，起到對差模電流的抑制作用。有時，還要人為增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，以達(dá)到更好的濾波效果。

共模電感在制作時應(yīng)滿足以下要求：

1)繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。

2)當(dāng)線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

3)線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。

4)線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對瞬時過電壓的而授能力。

通常情況下，同時注意選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此我們在選擇共模電感時需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。另外選擇時注意考慮差模阻抗對信號的影響，主要關(guān)注差模阻抗，特別注意高速端口。

隨著電子設(shè)備、計算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時間短、電壓振幅度高(幾百伏至幾千伏)、隨機(jī)性強(qiáng)，對微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，常使人防不勝防，這已引起國內(nèi)外電子界的高度重視。

電磁干擾濾波器(EMI Filter)是近年來被推廣應(yīng)用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測量儀器、計算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(guān)電源、測控系統(tǒng)等領(lǐng)域。

3、 電磁干擾濾波器(EMI Filter)

1 電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理及應(yīng)用

1.11 構(gòu)造原理

電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz，最高可達(dá)150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。若從形成特點看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性(EMC)的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應(yīng)對串模、共模干擾都起到抑制作用。

1.2 基本電路及典型應(yīng)用

電磁干擾濾波器的基本電路如圖1所示。

電磁干擾濾波器的基本電路

該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應(yīng)接通大地。電路中包括共模扼流圈(亦稱共模電感)L、濾波電容C1~C4。L對串模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電流通過時，兩個線圈上的磁場就會互相加強(qiáng)。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，參見表1。

圖2 兩級復(fù)合式EMI濾波器

需要指出，當(dāng)額定電流較大時，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量，可改善低頻衰減特性。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01Μf~0.47μF，主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端，并將電容器的中點接地，能有效地抑制共模干擾。C3和C4亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200Pf~0.1μF。為減小漏電流，電容量不得超過0.1μF，并且電容器中點應(yīng)與大地接通。C1~C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。

圖2示出一種兩級復(fù)合式EMI濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級(亦稱兩節(jié))濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對某些用戶現(xiàn)場存在重復(fù)頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問題，國內(nèi)外還開發(fā)出群脈沖濾波器(亦稱群脈沖對抗器)，能對上述干擾起到抑制作用。

2 EMI濾波器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

為減小體積、降低成本，單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級EMI濾波器，典型電路如圖3所示 。

圖(a)與圖(b)中的電容器C能濾除串模干擾，區(qū)別僅是圖(a)將C接在輸入端， 圖(b)則接到輸出端。圖(c)、(d)所示電路較復(fù)雜，抑制干擾的效果更佳。圖(c)中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證使用的安全性。圖(d)則是把共模干擾濾波電容C3和C4接在輸出端。EMI濾波器能有效抑制單片開關(guān)電源的電磁干擾。