共模干扰与差模干扰

在电磁兼容问题调试过程中,工程师总是习惯性得将干扰分为差模干扰和共模干扰。而实际电路中差模干扰与共模干扰是很难完全分开的,因为差模干扰与共模干扰是会彼此转换的。要区别差模干扰与共模干扰的原因,主要是为了便于电磁兼容问题的分析、调试、对策。

1、差模与共模:

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作为信号传输路径与回流路径, 我们称之为"差模";另一种是两根导线同时做信号传输路径,回流路径通过参考平面(地平面&电源平面)返回, 我们称之为"共模"一对导线上如果流过的电流大小相等,方向相反则称为差模电流。差模电流流过电路中的导线环路时,将引起差模辐射。

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";而黄信号是在信号与参考地平面之间传输的,我们称之为"共模"。

2、差模干扰与共模干扰:

任何两根电源线或信号线上所存在的干扰,均可用差模干扰与共模干扰来表示:差模干扰在两根导线之间传输,属于对称性干扰。共模干扰是两根线经过共同的参考平面返回源端,属于非对称干扰。

差模干扰的电流大小相等,方向(相位)相反。由于分布电容、寄生电感、走线阻抗的不连续,以及信号回流路径流过非设计路径等,差模电流会转换为共模电流。    

共模干扰的电流大小不一定相等,方向(相位)是相同的。电气设备的对外干扰主要以共模干扰为主,外来干扰也多以共模干扰为主(比如雷击浪涌、EFT测试),共模干扰通常不会对设备产生影响,但共模干扰转换差模干扰后,就会严重影响设备。

3、共模干扰产生的原因:

  • 由于电路布线两端的器件所接的参考地电位不同,在参考地电位差驱动下产生的电流。
  • 电路参考地电位与大地之间电位差,在两者的电位差驱动下产生的电流。
  • 外界电磁场在所有电路信号布线上感应出来的电压。(这个电压相对与大地是同相的),由这电压产生的电流。
  • 电网串入共模干扰电压。
  • 不同设备、不同电路之间接地电位差,以及与大地之间的电位差。
  • 由于分布电容、寄生电感、走线阻抗的不连续则会导致差模信号转换成共模信号。
  • 电路参考平面不连续、回流路径的改变导致差模信号转换成共模干扰。
  • 电缆布线经过开关电源磁性元件附近,电缆就极容易感应共模干扰。

4、如何识别共模干扰:

4.1、从干扰源类型判断:

  电焊机发生的电弧、附近的电台及大功率发电机等大功率辐射装置在电缆上产生的干扰通常是共模干扰。静电放电、雷击浪涌、电快速脉冲群测试在电缆上产生的干扰同样是共模干扰。

4.2、借助电流卡钳和频谱分析仪工具判断:

将电流卡钳分别卡在信号线或地线(火线或零线)上,记录下某个感应频率(f1)的干扰强度,将电流卡钳同时卡住信号线和地线,若能观察到(f1)处的干扰,则(f1)干扰中包含共模干扰成分,要判断是否仅含共模干扰成份,进行步骤下一步的判别,将卡钳分别卡住信号线和地线,若两根线上测得的(f1)干扰的幅度相同,则(f1)干扰中仅含共模干扰成份;若不相同,则(f1)干扰中还包含差模干扰成份    

4.3、使用磁环、共模电感判断:

通过在电缆或者信号上增加不同滤波频段的磁环、共模电感,若作用非常明显则基本上判断是共模干扰成分占主要因素,但不能完全排除没有差模成分,是因为共模电感本身存在漏感,磁环绕圈后也会形成差模电感效应。

4.4、使手判断:

有些设备是采用2芯电源线,相对于大地而言是浮地,此时用手接触被测设备,干扰改善非常明显,说明设备地与大地之间存在电位差,基本上判断是共模干扰。

5、如何抑制共模干扰:

EMC工程师都知道解决EMI问题的主要思想是抑制干扰源,切断耦合路径。共模干扰的抑制也同样遵循这个规律。前面我们分析了共模干扰产生的机理,知道共模干扰产生的途径主要是由地电位差,故减小地电位差是解决共模干扰的杀手锏之一。

我们知道地电位差的产生主要原因是,地平面寄生电感的存在,高频电流流过寄生电感两端时就会产生电位差,所以减小地电位差的本质就是减小高频下的寄生电感,可以采取如下措施:

  • 信号传输采用完整参考地平面做回流路径。
  • 模块电路采用多点接地与参考地平面连接。
  • 设备接大地。
  • 不同信号类型地之间采用电容跨接。
  • 地线布线宽度尽可能宽。
  • 地过孔密度增加。

共模干扰一般是以电流形式存在,从共模干扰耦合路径的角度,也可以采用共模电感切断其耦合路径。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。    

其它方式:抑制共模干扰,还可以通过光耦隔离、变压器隔离等。    

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