差模滤波与共模滤波分析

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2022-03-18 02:40:57 8

低频来自两部分：差模和共模滤波。差模滤波试图减少电流返回回线的电源线上噪声。
这意味着电源线上噪声存在在外壳和回线上。所以滤波的目的是在它离开外壳之前分流到回线，这样保证它返回而测量不到。设置一个电感在功率线上，阻断它出去，同时提供一个电容在电源与回线之间，提供噪声低阻抗通道。通常商业测试时带有 LISN（Line Impedance Stabilization Network电网阻抗稳定网络），被测电源通过一个电感和一个电容接到 LISN,提供 50Ω源阻抗。

有时噪声可能很小，以至于不要电感，电容与 50Ω电阻形成一个分压器小道足以转移大部分噪声。这个电路要工作，还得限制电容的 ESR。可以试试多层电容和金属化塑料电容。

选择数值

差模滤波如下电路所示：

由一个二阶 LC 电路组成。根据测量知道未滤波前的噪声频谱，同时我们知道要设计的二阶滤波器在噪声处以 40dB/dec 衰减。这里就是决定滤波器开始转折的起点。

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首先找到最低频率差模分量。例如假定在 100kHz 是 20dB。则开始频率为 100kHz/ 10 ＝30kHz（因为两个极点平方根）。

现在在噪声顶部（30kHz）画一条直线，斜率 40dB/Dec。如果没有其它的峰值点，滤波器的谐振频率就是 30kHz。以此选择 LC 参数。LC 参数有多种选择，电感价价格比电容贵，选择要权衡价格和损耗。

共模滤波

共模滤波器比差模滤波器容易设计，因为类型选择很少。
一个共模滤波器：共模电容（在商业界称为 Y 电容；X 电容为差模电容）+ 一个共模电感组成。

如下图所示：

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共模电容将线分流到地，而共模电感提供平衡阻抗－即对源和回线提供相同的阻抗，对共模噪声表现高阻抗通路。对于差模电感为零。

数值选择

共模与差模选择元件相反，这里电容比电感贵。理由有两个：

1.电容接地，必须能承受瞬时 3kV 甚至 6kV 电压，所以体积很大。还有流到的电流数值有严格的安全限制，这就限制了共模电容可以应用的最大值，典型的几个纳法。

因此，你选择最大允许电容量，并应用相同的技术以前决定的需要的 LC，用相同的步骤决定电感值。如果你计算出来是一个很大的共模电感值不要恐慌。共模电感两个线圈流过相同的电流，而看起来没有净电流。匝数很多而不会饱和。

2.当计算需要的电感时，两个共模电容是并联的（将数值加倍），而且共模电感的两个线圈是串联的。

因此，得到 2 倍匝数和 4 倍电感量。这给你额外 8 倍噪声抑制，电容等于 9.4nF，而电感是 4mH，其截止频率为 26kHz。

电容电感及限制

电容有频率相应限制，限制了在 EMI 滤波中的应用。电解电容具有相当大的 ESR，意味着在 RC频率以上它看作电阻性，不再是一个极点。

例如，电容=100μF ESR = 100mΩ，在频率 16kHz 成为阻性。它不再用于 EMI 控制。

实际上，陶瓷或塑料电容经常用于 EMI 滤波。

由于有引线电感，它们也有限制。

1 μF 电容仅在 1MHz 以下有效。

在在 1MHz 以上，用 100nF 电容，可以到 10MHz 。

为抑制噪声，可以用 1 μF ，100nF 和和 10nF 一起并联。

电感也有限制（它的线圈电阻，尽管对功率损耗不好，对噪声抑制没有明显影响）。

最重要的限制是分布电容，可能与电感并联。在某个频率以上，容抗比感抗低，在这个频率以上，电感不再阻断噪声。

例：假定 1mH 有 100pF 电容。于是在大约 500kHz 以上它的感抗停止增加，并实际上在减少。当然，较小的电感分布电容也较小，截止频率更高。

可用两个电感串联，而不是一个大电感，因为用两个电感串联增加电感和其电容串联减少电容，但实际上决不这样做。

压敏电阻有电容许多设计者需要一个压敏电阻来吸收电网瞬态电压。

压敏电阻具有一个小电容，并可用作滤波的一部分，这有意外收获。

注意：将压敏电阻加在源和回线到地之间，压敏电阻也有漏电流，所以 Y电容也应相应减少。

两个作用一个磁芯电感既：共模+差模电感，节约成本体积。

但设计时应该注意：绕一个共模电感比如说 47 匝在一边，而源线的另一边多绕 1 匝。

这个电感仍然是共模电感，但现在有一个串联电感，电感量是（48 2 -47 2 ）A L ，比在这样磁芯上绕 1 匝电感大得多。不过，磁芯中合成磁场不为零，你应当检查在最大电流时磁芯不应当饱和。

100dB 的衰减是否可得

低频滤波器仅用两个极点滤波器，不必多一个电容，或多一个电感，或再加一个电感电容的高阶滤波，因为这样滤波器难以设计；

对于商业设计，高阶滤波需要另一个电感,而这意味着生产困难。除了特殊环境外，是不需要这样滤波器，四极点衰减非常快，而如果需要 6 极点或许更糟。

如果计算一个电感在低频区需要衰减 60~80dB，最好返回去并研究电路布线。

可能的方法：用增加开关频率减少滤波要求。元件有性能限制，实际 PCB 布局通路与通路之间存在泄漏和交叉干扰。

底部线与顶部线之间，可以得到 100dB 的衰减。

也可买到商用滤波器，因它自己做的更大的衰减。

主要因为商用器件注意了避免电路布局交叉干扰，并已经将滤波器密封在金属壳中。

当然，自己也可以这样做，但成本较高。

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