共模和差模信号与滤波器共模和差模信号与滤波器
本文介绍了共模、差模信号的关键特性及其抑制方法,以及滤波器的工作原理及其应用电路。
1差模信号和共模信号
差模信号又称为常模、串模、线间感应和对称信号等,在两线电缆传输回路,每一线对地电压用符号V1和V2来表示。差模信
号分量是VDIFF。纯差模信号是:V1=-V2;其大小相等,相位差180°;VDIFF=V1-V2,因为V1和V2对地是对称的,所以
地线上没有电流流过,差模信号的电路如图1所示。所有的差模电流(IDIFF)全流过负载。差模干扰侵入往返两条信号线,
方向与信号电流方向一致,其一种是由信号源产生,另一种是传输过程中由电磁感应产生,它和信号串在一起且同相位,这种
干扰一般比较难以抑制。
共模信号又称为对地感应信号或不对称信号,共模信号分量是VCOM,纯共模信号是:VCOM=V1=V2;大小相等,相位差为
0°;V3=0。共模信号的电路如图2所示。干扰信号侵入线路和接地之间,干扰电流在两条线上各流过二分之一,以地为公共回
路;原则上讲,这种干扰是比较容易消除的。在实际电路中由于线路阻抗不平衡,使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干
扰。
2滤波器
滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰信号及信号传输线上感应的各种干扰。滤波器可分为交流电源滤波器、信号传输线滤
波器和去耦滤波器。交流电源滤波器大量应用在开关电源的系统中,既可以抑制外来的高频干扰,还可以抑制开关电源向外发
送干扰。来自工频电源或雷击等瞬变干扰,经电源线侵入电子设备,这种干扰以共模和差模方式传播,可用电源滤波器滤除。
在滤波电路中,有很多专用的滤波元件(如铁氧体磁环),它们能够改善电路的滤波特性,恰当地设计和使用滤波器是抗干扰
技术的重要手段。例如开关电源通过传导和辐射出的噪声有差模和共模之分,差模噪声采用π型滤波器抑制,如图3(a)所
示。
图3(a)中,LD为滤波扼流圈。若要对共模噪声有抑制能力,应采用如图3(b)所示的滤波电路。图3(b)中,LC为滤波扼
流圈。由于LC的两个线圈绕向一致,当电源输入电流流过LC时,所产生的磁场可以互相抵消,相当于没有电感效应,因此,
它使用磁导率高的磁芯。LC对共模噪声来说,相当于一个大电感,能有效地抑制共模传导噪声。开关电源输入端分别对地并
接的电容CY对共模噪声起旁路作用。共模扼流圈两端并联的电容CX对共模噪声起抑制作用。R为CX的放电电阻,它是
VDE0806和IEC380安全技术标准所推荐的。图3(b)中各元件参数范围为:CX=0.1μF~2μF;CY=2.0nF~33nF;LC=几
~几十mH,随工作电流不同而取不同的参数值,如电流为25A时LC=1.8mH;电流为03A时,LC=47mH。另外在滤波器元件
选择中,一定要保证输入滤波器的谐振频率低于开关电源的工作频率。
图4所示的滤波器可进一步提高对差模噪声的抑制能力。CX上除加有电源电压外,还会叠加上相线和零线之间存在的各种电磁
干扰峰值电压。为保证电容器失效后,不危及人身安全,并考虑到应用中最坏的情况,CX安全等级分为两类,即X1和X2
类,X1等级用于设备的峰值电压大于12kV场合,X2类用于设备峰值电压小于1.2kV的一般场合。另外,通过限制CY的容量可
达到控制在规定电压频率作用下,流过该电容器漏电流的大小。若为装设在可移动设备上的滤波器,其交流漏电流应低于
1mA,若为装设在位置固定且接地的设备上的滤波器的交流漏电流应小于35mA,再根据漏电流Ii的要求计算CY的容量,其关
系式为:
Ii=2πfCYU
式中:f——电源频率;
U——电源供电电压。
LD是用来进一步抑制差模噪声的差模扼流圈。因为LD的引入将使电容CX充电电流减少,达到了抑制差模噪声的目的。
3滤波器的安装与布线
交流滤波器的安装及布线直接影响滤波器的性能,在其安装布线中应注意以下几点:
(1)滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽量近的部位,并加以绝缘,不要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回,如
果交流电源进入机柜内到电源滤波器之间有较长的距离时,则这段线应加以屏蔽。
(2)电源滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一体,并尽量使电源滤波器的接地点与机壳接地点保
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