差模濾波與共模濾波分析

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2022-03-18 02:40:57 15

低頻來自兩部分：差模和共模濾波。差模濾波試圖減少電流返回回線的電源線上噪聲。
這意味著電源線上噪聲存在在外殼和回線上。所以濾波的目的是在它離開外殼之前分流到回線，這樣保證它返回而測量不到。設置一個電感在功率線上，阻斷它出去，同時提供一個電容在電源與回線之間，提供噪聲低阻抗通道。通常商業測試時帶有 LISN（Line Impedance Stabilization Network電網阻抗穩定網絡），被測電源通過一個電感和一個電容接到 LISN,提供 50Ω源阻抗。

有時噪聲可能很小，以至于不要電感，電容與 50Ω電阻形成一個分壓器小道足以轉移大部分噪聲。這個電路要工作，還得限制電容的 ESR。可以試試多層電容和金屬化塑料電容。

選擇數值

差模濾波如下電路所示：

由一個二階 LC 電路組成。根據測量知道未濾波前的噪聲頻譜，同時我們知道要設計的二階濾波器在噪聲處以 40dB/dec 衰減。這里就是決定濾波器開始轉折的起點。

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首先找到最低頻率差模分量。例如假定在 100kHz 是 20dB。則開始頻率為 100kHz/ 10 ＝30kHz（因為兩個極點平方根）。

現在在噪聲頂部（30kHz）畫一條直線，斜率 40dB/Dec。如果沒有其它的峰值點，濾波器的諧振頻率就是 30kHz。以此選擇 LC 參數。LC 參數有多種選擇，電感價價格比電容貴，選擇要權衡價格和損耗。

共模濾波

共模濾波器比差模濾波器容易設計，因為類型選擇很少。
一個共模濾波器：共模電容（在商業界稱為 Y 電容；X 電容為差模電容）+ 一個共模電感組成。

如下圖所示：

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共模電容將線分流到地，而共模電感提供平衡阻抗－即對源和回線提供相同的阻抗，對共模噪聲表現高阻抗通路。對于差模電感為零。

數值選擇

共模與差模選擇元件相反，這里電容比電感貴。理由有兩個：

1.電容接地，必須能承受瞬時 3kV 甚至 6kV 電壓，所以體積很大。還有流到的電流數值有嚴格的安全限制，這就限制了共模電容可以應用的最大值，典型的幾個納法。

因此，你選擇最大允許電容量，并應用相同的技術以前決定的需要的 LC，用相同的步驟決定電感值。如果你計算出來是一個很大的共模電感值不要恐慌。共模電感兩個線圈流過相同的電流，而看起來沒有凈電流。匝數很多而不會飽和。

2.當計算需要的電感時，兩個共模電容是并聯的（將數值加倍），而且共模電感的兩個線圈是串聯的。

因此，得到 2 倍匝數和 4 倍電感量。這給你額外 8 倍噪聲抑制，電容等于 9.4nF，而電感是 4mH，其截止頻率為 26kHz。

電容電感及限制

電容有頻率相應限制，限制了在 EMI 濾波中的應用。電解電容具有相當大的 ESR，意味著在 RC頻率以上它看作電阻性，不再是一個極點。

例如，電容=100μF ESR = 100mΩ，在頻率 16kHz 成為阻性。它不再用于 EMI 控制。

實際上，陶瓷或塑料電容經常用于 EMI 濾波。

由于有引線電感，它們也有限制。

1 μF 電容僅在 1MHz 以下有效。

在在 1MHz 以上，用 100nF 電容，可以到 10MHz 。

為抑制噪聲，可以用 1 μF ，100nF 和和 10nF 一起并聯。

電感也有限制（它的線圈電阻，盡管對功率損耗不好，對噪聲抑制沒有明顯影響）。

最重要的限制是分布電容，可能與電感并聯。在某個頻率以上，容抗比感抗低，在這個頻率以上，電感不再阻斷噪聲。

例：假定 1mH 有 100pF 電容。于是在大約 500kHz 以上它的感抗停止增加，并實際上在減少。當然，較小的電感分布電容也較小，截止頻率更高。

可用兩個電感串聯，而不是一個大電感，因為用兩個電感串聯增加電感和其電容串聯減少電容，但實際上決不這樣做。

壓敏電阻有電容許多設計者需要一個壓敏電阻來吸收電網瞬態電壓。

壓敏電阻具有一個小電容，并可用作濾波的一部分，這有意外收獲。

注意：將壓敏電阻加在源和回線到地之間，壓敏電阻也有漏電流，所以 Y電容也應相應減少。

兩個作用一個磁芯電感既：共模+差模電感，節約成本體積。

但設計時應該注意：繞一個共模電感比如說 47 匝在一邊，而源線的另一邊多繞 1 匝。

這個電感仍然是共模電感，但現在有一個串聯電感，電感量是（48 2 -47 2 ）A L ，比在這樣磁芯上繞 1 匝電感大得多。不過，磁芯中合成磁場不為零，你應當檢查在最大電流時磁芯不應當飽和。

100dB 的衰減是否可得

低頻濾波器僅用兩個極點濾波器，不必多一個電容，或多一個電感，或再加一個電感電容的高階濾波，因為這樣濾波器難以設計；

對于商業設計，高階濾波需要另一個電感,而這意味著生產困難。除了特殊環境外，是不需要這樣濾波器，四極點衰減非常快，而如果需要 6 極點或許更糟。

如果計算一個電感在低頻區需要衰減 60~80dB，最好返回去并研究電路布線。

可能的方法：用增加開關頻率減少濾波要求。元件有性能限制，實際 PCB 布局通路與通路之間存在泄漏和交叉干擾。

底部線與頂部線之間，可以得到 100dB 的衰減。

也可買到商用濾波器，因它自己做的更大的衰減。

主要因為商用器件注意了避免電路布局交叉干擾，并已經將濾波器密封在金屬殼中。

當然，自己也可以這樣做，但成本較高。

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