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差模滤波与共模滤波分析

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:1516

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。

首先找到[敏感词]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:

 


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[敏感词]值,典型的几个纳法。

因此,你选择[敏感词]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[敏感词]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,[敏感词]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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