利用共模差模分离技术对传导干扰进行高效整改

        从2008年认识樊博士，一转眼8年过去了。樊博士一直痴迷于模拟技术的研究。刚认识他的时候，他说他要做电流探头，我不太相信他能做好,但他一直坚持这个方向的研发,终于结成了硕果。

        我此前常为一些技术问题烦扰樊博士。鼎阳硬件智库发布的文档中，有几次话题和共模/差模相关。 樊博士一再和我强调，透彻理解共模信号很重要。有一天樊博士兴奋地告诉我，他在研究一种定量地分离共模和差模信号的技术，而且找到了实现方案。我听起来觉得很炫，但不太相信他能很好地实现定量分离共模和差模。去年他告诉我他真的已经搞出来了。我就找他约稿了。

        这篇文章给出了一些很实用的结论。希望这些结论能帮到大家！   

        关键词：传导干扰 共模 差模 分离 整改

        如何快速高效而且低成本地整改开关电源的传导干扰，是摆在工程师面前的一个棘手问题。用常规的方法进行滤波器元器件的更换不但费时而且还不一定能达到最佳的效果，更增加了无谓的成本。

        按照电磁传导干扰传播的特性，可将其分为解为共模（Common Mode，CM）干扰和差模（Differential Mode，DM）干扰。共模（CM）干扰定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模（DM）干扰定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。参考图1。

        滤波器的元件对差模和共模信号的抑制机理是不同的。那么我们完全可以根据分离出来的共模或差模信号的大小，调整相应的元件以达到整改的目的,可以大大减少产品的研发周期以及费用，赢得市场先机。

        为此，深圳市知用电子有限公司（CYBERTEK）推出了利用共模差模分离技术进行高效传导整改的解决方案。该方案包含数字化接收机EM5080A，业内首创的共模差模分离功能的人工电源网络EM5040B，滤波器整改工装EM50401以及隔离变压器EM5060。见图2、图3。

        （该产品具有专用的接线柱，让客户不但可以使用EM50401自带的标准整改模块，而且可以很方便地直接在接线柱上接上元件进行整改。）

        

QQ%E6%88%AA%E5%9B%BE20160229095519.png (11.34 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

, A: j9 W$ d" @0 L1 p" I! f. A7 {

         举例说明：60W反激开关电源传导整改的研究测试所用仪器

1 h0 q) c, ?  D0 X  x

%E5%9B%BE%E7%89%874-0.png (49.7 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

        图5将原版的EMI器件移到EM50401后的传导曲线

        图7将原版的EMI器件移到EM50401后的差模曲线

        一、X电容

        由上面的共模差模曲线可以发现这个电源的共模干扰是主要的，差模干扰已经很小了。下面我们可以尝试以下操作：

        1、在原有滤波器电路的基础上改大CX2为 0.47U，看有没有改善（见图8、图9、图10）：  

        

%E5%9B%BE%E7%89%878-0.png (104.39 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

        
+ a; g: s  P" D' {+ E; B

        图9改大CX2为 0.47U共模曲线，无改善

        2、在原有滤波器电路的基础上改小CX1电容为0.1U（见图11、图12、图13）：

         

%E5%9B%BE%E7%89%8712-0.png (103.52 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

        
" X6 ^8 H6 M3 b4 a* `# I

        结论：X电容只对差模干扰有效果。在共模干扰为主的情况下，再加大X电容对共模干扰的减少是没有任何用处，白白增加成本。

        二、共模电感

        在原有滤波器电路的基础上改小共模电感L1到1.2MH（见图14.图15、图16）：

        

%E5%9B%BE%E7%89%8714-0.png (109.26 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

" Q6 d2 g9 _) j# w: y/ d/ J4 b
图14改小共模电感L1到1.2MH传导曲线，变差

        
7 a- P/ z( {# d7 t. B% J# W( m

        

%E5%9B%BE%E7%89%8715-0.png (90.23 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

        
' o4 O* e; P* z5 [' p, p; f7 `, A

        结论：共模电感和Y电容构成低通滤波器（图28）主要作用是吸收共模干扰。同时共模电感有一定的漏感正好可以当差模电感用，和X电容构成低通滤波器。这样可以避免单独使用差模电感，降低成本。

        三、Y电容

          在原有滤波器电路的基础上去掉CY1电容  

        图17去掉CY1电容传导曲线，变差

         

%E5%9B%BE%E7%89%8719-0.png (76.38 KB, 下载次数: 0)

下载附件  保存到相册

2016-10-17 09:39 上传

9 ~, K, r0 @9 ]' C) z5 u图19去掉CY1电容差模曲线，不变

        结论：Y电容的作用是（和共模电感构成低通滤波器图28）吸收共模干扰。但Y电容不能太大，因为会引起很大的漏电导致安规有问题。医疗电源对漏电有严格的要求，一般不使用或用很小的Y电容。这对传导干扰的整改带来极大的挑战。

        四、全面整改后的余量达到20DB

         为了进一步降低该电源的传导干扰，我们把滤波器增加一级变成2级滤波器。

        1、 对共模的抑制通常加入共模电感和Y电容，试着在EMI电路DUT端中加入30mH共模电感，虽然低频段比较理想，但高频段不但没有降低反而上升。其共模扫描曲线下图所示：

        2、 把30mH共模电感减少到1.2mH共模电感，其共模扫描曲线下图所示：

        结论：共模电感越大对降低低频段的传导干扰有好处，但太大的共模电感对抑制高频率段效果不好，原因是线圈匝数多了分布电容太大。同时基于成本考虑也不能加太大的共模电感。

        3、 在1.2mH共模电感（靠近DUT端）加入Y电容，其共模扫描曲线下图所示，高频段效果不好：

        4、 调整一下Y电容位置，即Y电容都在共模电感靠近AC IN侧，形成LC低通滤波器，其共模整体曲线比较理想如下图所示：

        结论：共模电感和Y电容的使用要沿着干扰信号的流向构成一个LC低通滤波器的拓扑。同理，差模电感和X电容也如此。

        5、 如果把两个共模电感位置对调，其结果会导致低频段上升很严重，所以在整改时，小容量的共模电感应靠近DUT端。

        图29

        结论：小容量的共模电感应靠近DUT端，优先对付高频段干扰。

        6、 整改前后传导测试曲线对比

        （1） 整改前：

        （2） 整改后的传导干扰很小，平均有20DB余量

        附：不同频段的电磁兼容整改经验