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PCBA方案的共模電感原理與作用

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我們知道,高速吹風(fēng)筒的電源采用的是日常我們用的市電,市電是高壓交流電源,所以高壓電路的噪聲是比較大的,為了使產(chǎn)品符合安規(guī)要求,我們其利天下技術(shù)開發(fā)的方案電路設(shè)計(jì)必須要符合安規(guī)設(shè)計(jì)。所以這也是高速吹風(fēng)筒為什么要加安規(guī)電容共模電感的主要原因。

1、首先我們解釋一下,共模、差模的概念:

電器設(shè)備的電源線,電話等的通信線,與其它設(shè)備或外圍設(shè)備互相替換的通訊線路,至少有兩根導(dǎo)線,這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號(hào),在這兩根導(dǎo)線之外通常還有第三導(dǎo)體,這就是"地線"。電壓和電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時(shí)有兩種形態(tài),一種是兩根導(dǎo)線分別做為往返線路傳輸,我們稱之為"差模";另一種是兩根導(dǎo)線做去路,地線做返回傳輸,我們稱之為"共模"。

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共模電流:在一對(duì)差分信號(hào)線上,大小相同,方向相同的一對(duì)信號(hào)(或噪音)。在電路中,一般對(duì)地噪音一般都是以共模電流的方式傳輸?shù)模杂址Q為共模噪聲。

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抑制共模噪聲的方法多種多樣,除了從源頭去減少共模噪聲外,通常我們抑制最常用的方法就是采用共模電感來濾除共模噪聲,也就是將共模噪聲阻擋在目標(biāo)電路外面。在線路中串聯(lián)共模扼流器件。這樣做的目的是增大共模回路的阻抗,使得共模電流被扼流器所消耗和阻擋(反射),從而抑制線路中的共模噪聲。

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2、共模扼流器或電感的原理

若在以某種磁性材料磁環(huán)上繞上同向的一對(duì)線圈,當(dāng)交變電流通過時(shí),因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/523067.html">電磁感應(yīng)而在線圈中產(chǎn)生磁通量。對(duì)于差模信號(hào),產(chǎn)生的磁通量大小相同、方向相反,兩者相互抵消,因而磁環(huán)產(chǎn)生的差模阻抗非常小;而對(duì)于共模信號(hào),產(chǎn)生的磁通量大小和方向均相同,兩者相互疊加從而使磁環(huán)產(chǎn)生了較大的共模阻抗。這一特性使得共模電感對(duì)于差模信號(hào)的影響較小而對(duì)共模噪聲具有很好的濾波性能。

(1)差模電流通過共模線圈,磁力線方向相反,感應(yīng)磁場(chǎng)削弱,從如下圖磁力線方向可以看出—實(shí)線箭頭表示電流方向,虛線表示磁場(chǎng)方向。

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(2)共模電流通過共模線圈,磁力線方向相同,感應(yīng)磁場(chǎng)加強(qiáng),從如下圖磁力線方向可以看出—實(shí)線箭頭表示電流方向,虛線表示磁場(chǎng)方向。

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共模線圈的電感或者稱為自感系數(shù),我們知道電感是表征產(chǎn)生磁場(chǎng)的能力,對(duì)于共模線圈或者共模電感,當(dāng)共模電流流過線圈時(shí),由于磁力線方向相同,在不考慮漏感的情況下,磁通量疊加,其原理是互感,下圖紅色線圈產(chǎn)生的磁力線穿過藍(lán)色線圈,同時(shí)藍(lán)色線圈產(chǎn)生的磁力線也穿過紅色線圈,彼此相互感應(yīng)。

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從電感的角度來看,電感量也是成倍增加,磁鏈代表了總磁通量,對(duì)于共模電感,當(dāng)磁通量是原來的2倍時(shí),匝數(shù)沒有發(fā)生變化,電流也沒沒有發(fā)生變化,那么意味著電感量增加為原來的2倍,也就意味著等效磁導(dǎo)率變?yōu)樵瓉淼?倍。

 

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等效磁導(dǎo)率何以增加一倍,從下面的電感公式來看,由于匝數(shù)N不改變、磁路和磁芯截面積由磁芯的物理尺寸決定,因此也沒有改變,唯一就是磁導(dǎo)率u增加了一倍,因而可以產(chǎn)生更多的磁通量。

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所以,共模電感在共模電流通過時(shí),工作在互感模式下,在互感的作用下,等效電感量被成倍增加,因而共模感抗會(huì)成倍增加,因而對(duì)共模信號(hào)有良好的濾波作用,也就是將共模信號(hào)用大阻抗阻擋,不讓其通過共模電感,也就是不讓此信號(hào)傳輸到電路的下一級(jí),如下是電感產(chǎn)生的感抗ZL。

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認(rèn)識(shí)共模電感在共模模式下的電感量,主要目的是認(rèn)識(shí)互感,一切的磁性元器件,無論什么名稱只要把握磁場(chǎng)的變化形式,透過現(xiàn)象看磁場(chǎng)變化的本質(zhì),也會(huì)容易理解,再者我們要始終把握磁力線,它是我們認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)的直觀形式,試想無論同名端或異名端或者互感等概念或磁場(chǎng)現(xiàn)象,我們都是畫磁力線去認(rèn)識(shí)他們的——掌握之前講解的"磁棒繞線法"。

3、電源干擾及處理

電源干擾可以以共?;虿钅7绞酱嬖?/strong>

共模干擾是指電源火線對(duì)大地或電源中線對(duì)大地之間的干擾,有時(shí)稱為縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾。

差模干擾是指線與線之間的干擾,如電源相線與中線之間的干擾,有時(shí)稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。

共模干擾是由輻射或串?dāng)_形式形成的,如雷電、電弧、電臺(tái)等,來自空間的感應(yīng)。差模干擾是同一線路中的電機(jī)、開關(guān)電源可控硅等在電源線上產(chǎn)生的干擾。

通常線路上的差模分量和共模分量是同時(shí)存在的,而且由于線路的阻抗不平衡,兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變。干擾在線路上經(jīng)過長(zhǎng)距離的傳輸后,差模分量的衰減要比共模分量大,因?yàn)榫€間阻抗與線地阻抗不同的緣故。共模干擾的頻率一般分布在1mhz以上,在傳輸?shù)耐瑫r(shí),會(huì)向臨近空間輻射,耦合到信號(hào)電路中形成干擾,很難防范。差模干擾的頻率相對(duì)較低,不易形成空間輻射,已經(jīng)有良好的處理措施,降低共模干擾,設(shè)備的敏感度問題大都是由共模干擾引起的。

一個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性,實(shí)際上體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面,一個(gè)系統(tǒng)必須以整體電磁環(huán)境為依據(jù),要求每個(gè)用電設(shè)備不產(chǎn)生超過一定限度的電磁發(fā)射;另一方面,又要求它具有一定的抗干擾能力。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)的定義是:電磁兼容是設(shè)備的一種能力,是設(shè)備在其電磁環(huán)境中能完成它的功能,而不至于在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾。差模電流:在差分模式下,電路設(shè)備輸出一個(gè)電流到負(fù)載。同時(shí)存在一個(gè)等值的返回電流。這兩個(gè)大小相等、沿相反方向流動(dòng)的電流,代表了標(biāo)準(zhǔn)的差模工作方式。我們并不想完全消除差模工作影響,因?yàn)樵谝粋€(gè)電路板只能做得盡量像完善的自屏蔽環(huán)境(如同軸電纜),完全的電場(chǎng)俘獲和磁場(chǎng)抵消是不可能達(dá)到的。剩下的不能抵消的場(chǎng)是產(chǎn)生差模EMI的源。差分模式輻射是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)里的RF電流回路中電流的流動(dòng)引起的。

減小共模輻射的方法:

1、盡量減小激勵(lì)次天線的源電壓,即地電位;

2、提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗,即加共模扼流圈;

3、將共模電流旁路到地;

4、電纜屏蔽層與屏蔽殼體作360°端接。

綜述,通過共模、差模概念的理解以及分析,很好說明了信號(hào)傳輸中,為了符合產(chǎn)品設(shè)計(jì),我們采用共模電感的原因及其共模電感的電路作用,高速風(fēng)筒作為一種采用交流電作為能源驅(qū)動(dòng)的家電設(shè)備,傳統(tǒng)的安規(guī)設(shè)計(jì)需求,增加共模電感的原因就是為了減少傳導(dǎo)測(cè)試中電磁輻射,確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合安規(guī)要求!

采用接地平面就能有效地減小接地系統(tǒng)中的地電位。EMI濾波器主要是消除或降低傳導(dǎo)干擾。實(shí)際上傳導(dǎo)干擾又分為共模干擾和差模干擾,所謂共模干擾是指相線與地線之間干擾信號(hào)的相位相同、電位相等,而差模干擾是相線間干擾信號(hào)相位差180°(電位相等)。

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