共模与差模传导干扰分析及抑制技术研究(西电,邱杨教授)

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１．引言随着电子和电气设备的密度急剧增加，无线电频谱日益拥挤，对电子设备的电磁兼容性的要求也越来越高。电磁兼容性（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，ＥＭＣ）是指仪器设备在可能的电磁干扰环境下仍然能正常工作的能力。它主要是研究在有限空间和频谱范围内，可能发出电磁干扰的各种电子、电气等系统如何在合理的条件下使其互不干扰，即实现共存。而在电磁兼容中要解决的根本问题则是对电磁干扰的抑制。电磁干扰（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ＥＭＩ）是导致电气、电子设备在某种电磁环境中不能可靠工作的主要原因，按其模式主要可分为两种：共模干扰和差模干扰。在实际中，大多数产品电磁兼容性能不合格都是由于不能很好抑制这两种干扰的结果。电磁干扰对电子设备造成的危害，轻则设备损坏，重则损失惨重。如１９６７年发生在越南美军基地的一起由于电磁耦合而引起的爆炸事故，导致１３４人丧生、２７枚导弹被引爆，造成了２００亿美元的重大损失。因此，正确区分共模和差模干扰以共模与差模传导干扰分析及抑制技术研究Ｃｏｍｍｏｎ－Ｍｏｄｅ　Ａｎｄ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ－Ｍｏｄｅ　ＣｏｎｄｕｃｔｅｄＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ孙伟国，邱　扬，权修桥，田　锦（西安电子科技大学机电工程学院，　西安７１００７１）Sun wei-guo,Qiu yang,Quan xiu-qiao,Tian jinSchool of Mechanical and ElectronicEngineering,XIÕDIAN University, XiÕan 710071及对其进行抑制技术研究具有非常重要的现实意义。下面就着重对这两种干扰的成因、诊断及抑制分别进行阐述。

２．电磁干扰的形式和起因电磁干扰涉及的范围很广，包括工业、军事、科研、医疗等社会生活的各个方面。它从耦合途径上来分，主要有传导电磁干扰和辐射电磁干扰。传导电磁干扰又可分为共模和差模传导干扰，同样辐射电磁干扰也可分为共模和差模辐射干扰。共模干扰指的是干扰电压在信号线及其回线（一般称为信号地线）上的幅度相同，这里的电压以附近任何一个物体（大地、参考地线板、金属机箱等）为参考电位，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的路中流动，如图１所示（图１、２中模块Ａ、Ｂ分别指发送部分——源端和接收部分——负载端，　、　分别为信号线和回流线阻抗）。差模干扰指的是干扰电压存在于信号线及其回线（一般称为信号地线）之间，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动，如图２所示。摘 要：　电磁兼容（ＥＭＣ）问题越来越受到人们的重视，而解决电磁兼容问题的实质则是如何抑制电磁干扰（ＥＭＩ），电磁干扰主要分为共模干扰和差模干扰。本文首先介绍了电磁干扰的形式及起因，接着提出了测量和判别干扰模式的方法，最后对其分别提出了抑制技术并举了个在实际中进行抑制的例子。关键词：　电磁兼容；电磁干扰；共模干扰；差模干扰；抑制技术中图分类号：　ＴＮ９７２文献标识码：　Ａ文章编号：　１００３－０１０７（２００４）１０－００１８－０３Abstract: Electromagnetic Compatibility(EMC) is being more and more regarded, whose essence is how to restrainElectromagnetic Interference(EMI). Which mainly includes Common-Mode interference and Differential-Mode interference .The article firstly introduces the form and cause of EMI, then discusses the method of measurement and judging the interferencepattern, finally proposes the technology of restraint respectively and makes an example in practice.Key words: EMC; EMI; Common-Mode interference; Differential-Mode interference; restraint technologyCLC number: TN972Document code: AArticle ID: 1003-0107(2004)10-0018-03一般来说，对于传导干扰，在相线（信号线）或中线（回线）与地线之间的都是共模干扰，相线（信号线）与中线（回线）之间的则是差模干扰。而对于辐射干扰，低频干扰多是差模干扰，高频则是共模干扰。下面则重点介绍共模与差模传导干扰的诊断与抑制。

３．确定共模与差模干扰的诊断技术由于抑制共模干扰和差模干扰的方法完全不同，因此采取抑制措施之

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前，首先要判别干扰的模式。下面给出几种方法，从而帮助缩短判断的时间。（１）从干扰源判断：附近发生的电台、电弧或其它大功率辐射装置在电缆上产生的干扰是共模干扰；在同一路电力线上工作的开关电源、可控硅等会在电源线上产生差模干扰。（２）用仪器测量：这也是最直接、最可靠的方法。需要的仪器有：接收机（频谱仪）、电流卡钳等。判别的步骤如下：●　将卡钳卡在信号线（火线）或地线（零线）上，记录下某一频率（ｆ）的干扰强度；●　将卡钳同时卡住信号线和地线，若观察不到（ｆ）处的干扰，则（ｆ）处的干扰完全是差模干扰，其中不含共模成份；若还能观察到（ｆ）处的干扰，则（ｆ）干扰中包含共模成份，要判断是否仅含共模成份，进行下一个步骤的判别；●　将卡钳分别卡住信号线和地线，若两根线上测得的干扰幅度相同，则干扰中仅含共模成份；若不相同，则干扰中还包含差模成份。（３）　从干扰频率上判断：一般来说，共模干扰频率较高，主要集中在１ＭＨｚ以上，而差模干扰则主要集中在１ＭＨｚ以下。当然，上面给出的方法也只是一些判别干扰模式的经验，在实际中的情况可能更复杂，要根据具体情况进行判断。４．共模与差模干扰的抑制在确定了电磁干扰的模式（即差模还是共模）后，就可以对其进行抑制了。抑制共模干扰的主要方法是应用共模扼流圈，抑制差模则是应用差模扼流圈。（１）　共模扼流圈共模扼流圈是共模插入损耗中起主导作用的电感元件。它是在一个磁环（闭磁路）的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈，故而又称为双线的电感。其绕制示意图如图３所示。平衡电感Ｌｅ，Ｌｅ的值一般＜Ｌ／１００。因此，共模扼流圈对差模干扰也起作用，但作用很小。

（２）差模扼流圈差模扼流圈是差模插入损耗中起主导作用的电感元件。它采用单个绕组结构绕制而不像共模扼流圈那样在一个磁心上采用两个相同绕组的结构。其绕制示意图如图４所示。由于差模扼流圈采用单个绕组绕制，其线上的信号电流　在磁环中也产生一定量的磁通，故很容易达到饱和。因此差模扼流圈电感值较小，数量级一般在ｕＨ。而共模扼流圈中两个绕组电流方向相反，其信号电流　在磁环中产生的磁通相互抵消，故不会存在磁饱和现象。因此其电感值可以较大，共模磁环的数量级一般在ｍＨ。根据电磁感应原理，在图４中，由于差模电流（ＩＤＭ或Ｉ’ＤＭ）的作用，在磁环中产生磁通，因而产生电感，所以在电路中串入差模扼流圈则相当于串入了一个低通滤波元件，从而起到了差模抑制作用。当然，由于ＩＣＭ同样会产生磁通，进而产生电感，所以差模扼流圈对共模干扰同样有抑制，但正如上面提到的，抑制共模干扰需要产生较大的电感，而差模扼流圈产生的电感量较小，所以对共模干扰的抑制作用较小。５．应用由于使用共模或差模扼流圈一般都不是单独使用，而是与其它的电路元件一起组成封装式的滤波器使用。而在这类滤波器中，又以ＥＭＩ电源滤波器较为典型。下面是我们运用ＥＭＩ电源滤波器抑制共模干扰和差模干扰的一个例子。在我们对某军用短波电台进行电磁兼容（ＧＪＢ１５１／１５２Ａ－９７）性能检测时，发现在检测ＣＥ１０２项目时（电台以大功率１２５Ｗ在２．１ＭＨｚ发射），有四个点超标（其中三个较严重），如图５所示。●　共模抑制原理：根据电磁感应原理，在图３中，由于共模电流（ＩＣＭ和Ｉ’ＣＭ）方向相同，所以在磁环中所形成的磁力线（ａ和ａ’）是相互叠加的，即磁通相互叠加。由于磁通φ＝ＬＩ，故共模扼流圈的总电感Ｌ＝（φ

１＋φ２）／ＩＣＭ。因此，若将共模扼流圈串在电路中，则相当于在电路中串入了一个共模电流产生的电感，此电感相当于一个低通滤波元件，从而起到了共模抑制作用。●　差模无抑制原理：同样地，根据电磁感应原理，由于差模电流（ＩＤＭ和Ｉ’ＤＭ）方向相反，所以在磁环中所形成的磁力线（ｂ和ｂ’）是相互抵消的，即磁通相互抵消，从而无滤波电感元件产生（假定两条线１和２绕制完全相同）。因此共模扼流圈对差模电流无抑制作用。但是，在实际生产中，由于两条线（１和２）不可能做到完全平衡（引线长度和漏感的不完全对称），所以存在不

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由于这几个点均在２Ｍ～９ＭＨｚ之间，经过电流卡钳进行检测后，我们认为这几个点主要都是由共模干扰引起的，因此我们选用了某军用ＥＭＩ直流电源滤波器，该滤波器特点是在１Ｍ￣３０ＭＨｚ间共模抑制能力较强（频率／共模插入损耗：１Ｍ／６２，５Ｍ／８０，１０Ｍ／７５，３０Ｍ／７０），且对差模干扰也有抑制，其电路结构如图６所示。

在将上述ＥＭＩ滤波器装在电台入口电源线上之后，再次对其进行ＣＥ１０２项目检测，结果如图７所示，不但将超标点完全抑制，而且对前面的一些没有超标的点也有所抑制，这主要是由于此滤波器内含有差模滤波单元，故而对差模干扰也有抑制作用。至此，ＣＥ１０２项目检测得以顺利通过。６．结束语随着电子产品的日益增多，对设备的电磁兼容性要求也越来越高（如我国新推出的３Ｃ认证），因此对电磁干扰抑制问题的研究也越来越紧迫。通常情况下，在产品成型之后设备内的电磁干扰（包括共模和差模），都可以使用由共模扼流圈、差模扼流圈等组成的滤波器进行滤波或通过屏蔽等方法对其抑制，但最根本的还应该是在产品成型之前的ＰＣＢ设计、元器件布置的安排上下功夫，以从根本上抑制共模和差模干扰源的产生。只有在产品设计阶段就考虑共模和差模干扰问题并提前采取措施，才能达到事半功倍的效果。◆