EMC原理：共模電容的工作原理和差模電容的工作原理

第一章、EMC概念介紹

EMC（electromagnetic compatibility）作為產(chǎn)品的一個特性，譯為電磁兼容性；如果作為一門學(xué)科，則譯為電磁兼容。它包括兩個概念：EMI和EMS。EMI(electromagneticinterference)
電磁干擾，指自身干擾其它電器產(chǎn)品的電磁干擾量。EMS (electromagneticsusceptibility)電磁敏感性，也有稱為電磁抗擾度，是指能忍受其它電器產(chǎn)品的電磁干擾的程度。因此，電磁兼容性EMC一方面要濾除從電源線上引入的外部電磁干擾(輻射+傳導(dǎo))，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。EMC濾波器主要是用來濾除傳導(dǎo)干擾，抑制和衰減外界所產(chǎn)生的噪聲信號干擾和影響受到保護(hù)的設(shè)備，同時抑制和衰減設(shè)備對外界產(chǎn)生干擾。而輻射干擾主要通過屏蔽的手段加以濾除。

從濾波器的功能來看，它的作用是允許某一部分頻率的信號順利的通過，而另外一部分無用頻率的信號則受到較大的抑制，它實質(zhì)上是一個選頻電路。而我們常見的低通濾波器功能是允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾噪聲。

電源噪聲干擾在日常生活中很常見。比如你正在使用電腦的時候，當(dāng)手機(jī)信號出現(xiàn)時，電腦音響會有雜音。比如電話或手機(jī)通話時有嗞嗞的雜聲。又比如使用電吹風(fēng)燙頭發(fā)時，電視機(jī)不但會產(chǎn)生噪音，而且屏幕會出現(xiàn)很大的雪花般的條紋。這都是一些常見的噪聲信號干擾，但實際上有些干擾日?？床坏?，一但受到影響就有可能措手不及，甚至找不到根源。這些噪聲信號如果出現(xiàn)在自動化儀器，醫(yī)療儀器有可能帶來極大的損失甚至生命安全。比如，會造成自動化儀器誤動作，造成醫(yī)療儀器失控等等。

我們常說的噪聲干擾,是指對有用信號以外的一切電子信號的一個總稱，也可以理解為電磁干擾。最初，人們把造成收音機(jī)之音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一些非有用電子信號對電子電路造成的后果并非都和聲音有關(guān)，因此，后來人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。如：某一頻率的無線電波信號，對需要接收這種信號的接收機(jī)來講，它是正常的有用信號，而對于另一頻率的接收機(jī)它就是一種無用信號，即是噪聲。

噪聲按傳播路徑來分可分為傳導(dǎo)噪聲干擾和空間噪聲干擾。其傳導(dǎo)干擾主要通過導(dǎo)體傳播,通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò),其頻譜主要為30MHz以下。而空間噪聲干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò),其頻率范圍比傳導(dǎo)噪聲頻率寬很多,30Hz-30GHz。傳導(dǎo)噪聲干擾可以通過設(shè)計濾波電路或追加濾波器的方法來進(jìn)行抑制和衰減，而空間輻射干擾主要通過主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上實行電磁封閉。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導(dǎo)磁性能差，因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆，內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料。

上面我們提到傳導(dǎo)噪聲干擾，又分為差模干擾與共模干擾兩種。差模干擾是兩條電源線之間（簡稱線對線）的噪聲，主要通過選擇合適的電容(X電容)，差模線圈來進(jìn)行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線對大地（簡稱線對地）的噪聲，主要通過選擇合適的電容（Y電容），和共模線圈來進(jìn)行抑制和衰減。我們常見的低通濾波器一般同時具有抑制共模和差模干擾的功能。

第二章、感應(yīng)干擾（近場）

常見的電場 如兩個金屬板兩端加電壓。

常見的磁場 如兩個磁鐵之間的磁場

電磁波的速度在空氣中接近于光速。波長=c/f=3x108/f = 300/F(MHz)如，F(xiàn)=10MHz 波長=30米 r =波長/2*3.14=4.77米。

頻率為10MHz的電磁波發(fā)射源，在離發(fā)射源大于4,77米時，為遠(yuǎn)場，小于4,77米時，為近場。

第三章、輻射干擾(遠(yuǎn)場)

3.1.原理及產(chǎn)生原因

根據(jù)麥克斯韋方程，變化電場產(chǎn)生變化磁場，變化磁場產(chǎn)生變化的電場。

設(shè)備內(nèi)每個電路都可能是天線，外殼和電纜都可能是天線的一部分。

我的理解是靜電場和靜磁場只對近距離的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

交變的電場和交變的磁場不光對近距離設(shè)備產(chǎn)生干擾，還對很遠(yuǎn)處的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

不論是電場干擾還是磁場干擾遠(yuǎn)距離傳播以后，都是以交變的電磁場形式傳播。

電磁場解釋

電磁場有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場和磁場的統(tǒng)一體和總稱。隨時間變化的電場產(chǎn)生磁場，隨時間變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運(yùn)動的帶電粒子引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物，具有能量和動量，是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。

3.2.如何影響設(shè)備

敏感設(shè)備受空間干擾

?

其中f為頻率B為磁感應(yīng)強(qiáng)度A為面積E為電場強(qiáng)度

3.3.如何濾除輻射干擾

如在源及敏感設(shè)備外圍加屏蔽,隔斷輻射路徑；以及在敏感設(shè)備各端口增加濾波電路,阻止已耦合到端口上噪聲進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。

3.4.如何減少輻射干擾

方法1：采用同軸電纜雙絞線絞合電纜。

如MR6；IDM11的電纜線就是絞合電纜

?

方法2：應(yīng)盡量減小有用信號的高次諧波成分(頻率越高，輻射越強(qiáng))

方法3：采取屏蔽方法

通氣口，盡量用小圓孔，避免用長條形通氣孔。

普通濾波器原理圖

如圖1，3為差模電容，2為共模電感，4為共模電容。
一般濾波器不單獨(dú)使用差模線圈，因為共模電感兩邊繞線不一致等原因，電感必定不會相同，因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴(yán)重，就要追加差模線圈。

第四章、差模干擾

4.1 差模干擾:簡單的說就是線對線的干擾。

如圖，我們可以看到差模的原理圖。UDM就是差模電壓，IDM就是差模電流。IDM大小相同，方向相反。

4.2 差模干擾產(chǎn)生的原因

差模干擾中的干擾是起源在同一電源線路之中(直接注入).如同一線路中工作的電機(jī),開關(guān)電源，可控硅等，他們在電源線上所產(chǎn)生的干擾就是差模干擾。

4.3如何影響設(shè)備。

差模干擾直接作用在設(shè)備兩端的，直接影響設(shè)備工作，甚至破壞設(shè)備。（表現(xiàn)為尖峰電壓,電壓跌落及中斷.）

4.4.如何濾除差模干擾

主要采用差模電感和差模電容。

4.4-1差模電感工作原理:

可以看到，當(dāng)電流流過差模線圈之后，線圈里面的磁通是增強(qiáng)的，相當(dāng)于兩個磁通之和。
線圈特性低頻率低阻抗高頻率高阻抗決定了在高頻時利用它的高阻抗衰減差模信號。（如圖下圖所示）：
當(dāng)頻率為50Hz時，線圈阻抗接近于0，相當(dāng)于一根導(dǎo)線，不起任何衰減作用。
當(dāng)頻率為500kHz時，阻抗達(dá)到5k歐,而理想狀態(tài)下，此時負(fù)載阻抗一般考慮為50歐，
根據(jù)上面公式，此時差模線圈分得了99%的差模干擾電壓，而負(fù)載只分得了1%的差模干擾電壓。
同時，電流也有很大衰減。(可以算出此時線圈的差模插入損耗)

4.4-2差模電容工作原理。

可以看到，電容特性低頻率高阻抗高頻率低阻抗。濾波器利用電容在高頻時它的低阻抗短路掉差模干擾。（如圖下圖所示：）
當(dāng)頻率為50Hz時，電容阻抗趨近于無窮大，相當(dāng)于短路，不起任何衰減作用。
當(dāng)頻率為500kHz時，電容阻抗很小,根據(jù)上式可以看到差模負(fù)載的電流衰減為趨近于0
如當(dāng)頻率為500kHz時負(fù)載50歐容抗0.05歐

此時電容分得了99.9%的差模干擾電流，而負(fù)載只分得了0.1%的差模干擾電流。
也就是說500kHz時，電容使得差模干擾下降了30dB.

第五章、共模干擾

5.1.共模就是共同對地的干擾：

如圖，我們可以看到共模的原理圖。UPQ就是共模電壓，ICM1ICM2就是共模電流。
ICM1ICM2大小不一定相同，方向相同。

5.2.共模干擾產(chǎn)生的原因很多。
主要原因有以下幾點(diǎn)。
1.電網(wǎng)串入共模干擾電壓

2.輻射干擾(如雷電，設(shè)備電弧，附近電臺，大功率輻射源)在信號線上感應(yīng)出共模干擾。
（原理是交變的磁場產(chǎn)生交變的電流，由于地線-零線回路面積與地線-火線回路面積不相同，兩個回路阻抗不同等原因造成電流大小不同）

3.接地電壓不一樣。也就是說地電位差異引入共模干擾。
4.也包括設(shè)備內(nèi)部電線對電源線的影響。

5.3.如何影響設(shè)備。
共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。
如圖

5.4.如何濾除共模干擾(共模線圈共模電容)
5.4-1共模線圈

共模線圈和差模線圈原理比較類似，都是利用線圈高頻時的高阻抗來衰減干擾信號。共模線圈和差模線圈繞線方法剛好相反（如圖）。

因為差模線圈在濾除干擾的同時，還會一定程度的增加阻抗，而共模線圈對方向相反的電流基本不起作用，所以我們在能夠滿足特性的前提下，一般很少使用差模線圈。

文獻(xiàn)一：這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

文獻(xiàn)二：我們了解電流定律,也知道電流產(chǎn)生磁通后，而且知道相同大小,相同圈數(shù)，不同方向的電流產(chǎn)生的磁通是會互相抵消,導(dǎo)致整個共模線圈對不同方向的電流不起作用，而僅僅讓其通過；但對相同方向的電流所產(chǎn)生的磁通，因為磁通方向相同，磁通沒有抵消,故些共模線圈起著阻抗器的作用，壓制了同方向的雜訊電流，達(dá)成抗電磁干擾的目的。

5.4-2共模電容工作原理

共模電容的工作原理和差模電容的工作原理是一致的，
都是利用電容的高頻低阻抗，使高頻干擾信號短路，而低頻時電路不受任何影響。
只是差模電容是兩極之間短路。
而共模電容是線對地短路。3300pF1.6mm引腳共模電容諧振頻率點(diǎn)為19.3MHz 點(diǎn)擊名片關(guān)注我們-學(xué)習(xí)更多干貨知識

編輯：黃飛