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共模和差模信号区别及应用举例

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:所以,我们需要知道CM和DM之间的不同。CM电流的返回通道是通过外部大地系统、其他电缆、金属构件等完成的。虽然,CM电流和电压在幅值上往往非常小,但是它们在大环区域所造成的EMC问题要比等同的DM信号大得多。几乎没有例外,CM问题是由于设计和结构上的不完善所造成的。同样还是这些不完善会把部分外部的CM干扰信号转换并引入到DM信号中。从而造成信噪比或有用信号完整性变差,并引起抗扰问题。

共模和差模信号区别及应用举例

为了有效地使用滤波器,我们需要知道所使用的滤波元件将要与什么导体相连接。所以,我们需要知道CM和DM之间的不同。

从图1-3-2中可以看到,几乎所有我们所要求的有用(所希望)信号都是DM信号:电流通过一个特定的导体流出,而通过另外一个导体返回。并且这两个导体之间存在电位差。有时,一个信号以及它所有的返回通路要求使用多于两个的导体(例如,+5V、信号、0V;三相AC电源)。但它们的基本原理是一样的。

另一方面,一根电缆(包括任何屏蔽)所有导体中的CM电压和电流是完全相同的,并且它们电流的流向也完全相同。CM电流的返回通道是通过外部大地系统、其他电缆、金属构件等完成的。虽然,CM电流和电压在幅值上往往非常小,但是它们在大环区域所造成的EMC问题要比等同的DM信号大得多。

几乎没有例外,CM问题是由于设计和结构上的不完善所造成的。这样的不完善往往会把我们所需要的部分DM信号转换成CM信号,从而引起发射问题。同样还是这些不完善会把部分外部的CM干扰信号转换并引入到DM信号中。从而造成信噪比或有用信号完整性变差,并引起抗扰问题。电缆是DM转换成CM的主要媒介。在EMC测试中,常使用“纵向转换损耗”来衡量这种类型的转换。

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图1-3-2 差模(所希望的)信号和相对照的共模“泄漏”

在许多先进产品中所使用的,功能强大的数字集成电路(IC),由于它们信号状态的高速转换会引起地和电源电位的“来回跳动”而产生大量的内部高频开关噪声。这些开关噪声不仅会泄漏到IC的所有连接上,并还会耦合到PCB线条上,甚至以CM噪声的形式出现在I/O和所有其他电缆上。这类噪声的频率成分和它们的幅值往往要比我们所希望的有用信号高得多。所以,要对它进行预测也是相当困难的。通常,只有通过实地测量才有可能获得它的定量值。

当一个磁路(如一个铁氧体环)上仅缠绕着一个单一导体时,它将对该导体中的所有电流产生衰减。(而不论它是CM还是DM)。但当一个铁氧体环同时缠绕着一个DM信号或电源的发送和返回两个(或所有的)导体时,它将会只对CM电流进行衰减。这是由于DM的发送和返回电流通道所产生的磁通量会在一个CM电感器中相互抵消的缘故。所以(理想情况下),它将不会对有用信号产生任何影响。实际应用中,由于总是存在有漏电感,DM电流(有用电流)总会有某种程度上的衰减。不难看出,这个技术可以在仅使用一个元件情况下,同时对CM和DM信号都进行滤波。图1-3-3显示了共模扼流圈滤波器技术的一些有关知识。

大多数EMC应用中的共模扼流圈都由软性铁氧体制成。共模扼流圈(经常也称之为平衡电流扼流圈)中的DM磁通的相互抵消,使我们可以使用体积小型化的元件来获得大的电感值(mH数量级)。而相同尺寸的DM扼流圈却只能达到μH数量级。并且,随着电流的增加,DM扼流圈的几何尺寸将会变得更大。(www.xing528.com)

在同一个磁路中,把一组导体缠绕好几匝可以增加CM阻抗。但在高频时,这样做的效果并不那么明显。这是因为寄生电容会将扼流圈“短路”。为了在频率非常高情况下仍能获得较高的衰减,最好是沿着一根电缆串联若干个铁氧体管或铁氧体环,这样该电缆每次只穿过一个铁氧体管或环。(SMD铁氧体环在高频时仍可获得高阻抗,是因为它们的杂散电容要小得多)。

一种常用的有效软性铁氧体元件是一个纵向分成两半对称的圆筒形元件。它通常还会带有一个“用夹子扣紧”的塑料外壳。它们可以非常方便地“夹”用于电缆上(当发现效果不佳时,也可以很容易地将它们去掉)。市场上有着各种各样的尺寸和形状可供挑选使用。其中甚至还包括专门用于带状电缆的扁平形状。几乎所有的EMC工程师通常都会随身携带各种类型规格的这类软性铁氧体元件。这样,在需要时,可以随时随地选用它们来诊断和隔离出EMC问题,并解决它们。

图1-3-4显示了,如何将CM和DM滤波器结合在一起使用于若干个简单的滤波器中。

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图1-3-3 CM滤波

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图1-3-4 使用CM和DM滤波技术的典型单级滤波器

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