电磁兼容中差模与共模干扰及抑制技术
于 虹
(国家计算机外设质检中心,杭州310012)
摘 要 本文分析了引起差模和共模干扰现象的原因,提出了测量和确定辐射场源特性的方法,对差模干扰和共模干扰提出了抑制方法。
关键词 电磁兼容 差模干扰 共模干扰
一、引起差模与共模干扰的物理原因
电磁兼容辐射干扰问题主要来自电路中的电流突变产生的磁场变化或电压突变产生的电场变化;当把距辐射源的距离与波长λ作比较作为近场与远场区域的分界点(一般把距离λ的区域定义为近场区域,把距离 λ的区域定义为远场区域),若近场范围以磁场为主时,表明它与差模电流有密切关系,而电场与共模电流有密切关系。
电流的变化会引起电压的变化,反之亦然。
但在实际电路中是其中之一占主导地位。
辐射源的阻抗决定着近场是以磁场为主还是以电场为主。
一般来讲,磁场是由仪器中某一局部回路产生的,这些回路可以分解为不同的模式。
电路中的阻抗概念是正确理解问题的一个重要概念,这里所提及的阻抗是指在特定辐射频率下的总的阻抗,这与通常所理解的阻抗概念有所不同。
比如,电路中的连结器常被认为是低阻抗,但在高频条件下由于电路中的感应现象而实际上呈高阻抗。
在一个电路中所有导线变为高阻抗的最常见方式就是线路中接地线显著的感应现象,在有些频率下,地线被感应成为高阻抗状态。
对于整个线路来讲,地线实际上是以高阻抗状态与线路中其它线相串联起来了。
在这种情形下,通过电容耦合形成回流。
低阻场或者由电流产生的场,主要是磁场,在近场处以磁场为主。
低阻场与低阻源相联系,也就是说与差模干扰有密切关系。
二、确定差模与共模干扰的诊断技术
低源阻抗引起电流变化的场,这决定了在近场区域以磁场为主,反之亦然,这就是确定辐射是否为差模干扰的基础。
测量场阻的变化采用近场探头和频谱分析仪联合进行,其仪器配置及测试方法见图1所示。
设E∶E场场强; H∶H场场强;P F∶探头性能因子;Z∶场阻抗;则H=Vh+P Fh-52;E=Ve+PFe;Z= 10(e-h)/20;若Z<377Ψ,那么d i/d t是主要的,辐射可能是差模;若Z>377Ψ,d v/d t是主要的,辐射可能是共模的。
图1
在测量H场时要注意探头的取向,一般沿着源的两个径向测量,每个方向上测量2～6个点,点距为1～4m,在近场处间距要小一点。
每个测量点上同时测出H场和E场的数据。
对于得到的实验数据采用两种方式处理均可:①作出H场和E场场强随距离变化的曲线,其中一个比另一个变化快。
当H场变化较快时,为低阻抗源问题;当E场变化较快时为高阻抗源问题。
②在同一测量点上(近场范围)利用Z=E/H来求出该测量点的场阻,并
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与自由空间的377Ψ值相比较,若Z >377Ψ,则表明电场占主要的,辐射源是高阻抗的:若Z <377Ψ,则表明磁场占主要的,辐射源是低阻抗源。
高的源阻抗与共模干扰相联系,而低的阻抗源与差模干扰相联系。
三、差模与共模干扰的抑制方法
差模干扰是仪器中相线与中线之间的信号变化产生的;共模干扰则是相线或中线与地线间的信号的变化产生的。
图2是差模与共模干扰中电流的流动示意图。
图2(a )中Z s 为信号线阻抗,Z r 为想要返回信号的阻抗,Z g ′与Z g ″为电路元件与真正地线之间的阻抗典型电路的简化图。
图2(b)中若Z s 与Z r Z g ′与Z g ″,则I e I r 这是一个人为的设计,电流是不同的,几乎整个包含人为的导线中。
图2(c)中若Z r Z g ′与Z g ″,那么I e I r 该示意图有点变化以便说明返回线的阻抗是分布式的,并且在信号线间有分布电容。
如果Z r Z g ′与Z g ″,那么信号线与返回线都承载信号。
返回电流在电路内是闭合的。
图2
如前所述,电磁兼容辐射主要与电流和电压的变化相关,电流相关与差模联系,电压相关与共模联系。
在处理电磁兼容辐射干扰问题时,知道了存在于电路中的是共模干扰还是差模干扰,才能有效地处理,抑制共模干扰与抑制差模干扰的技术不是通用的。
1.对于差模干扰,可以采用以下降低辐射的技术:
(1)减小电流中回流的面积。
(2)降低信号电压的波动。
(3)对整个辐射回路进行屏蔽。
(4)对产生辐射的信号线滤波。
然而,某些典型的共模抑制技术对差模干扰并不起作用,如图3所示。
在图3(a)中因为辐射信号是在信号线上的,所以增加电源与地线之间的耦合是无效的。
图3(b )中通过缩短地线和使地线变短的方法是无效的,因为这不是问题所在。
图3(c)中如果屏蔽线本身无效,移动屏蔽线的接地点也是无效的。
图3
2.如果电路中的辐射是由共模干扰引起的,可以采取以下抑制技术:
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心位置。
然后将半球的顶点方向定为球面坐标的纬度等于零的方向。
用球面坐标指定测量点位置。
5.测量数据
根据25个测量数据用最小二乘法计算球的中心及半径,并计算各点的测量结果相对于所计算的球的中心的距离与半球的最小二乘半径的差值。
测量结果如表2所示。
由表可见,球的半径的最大值与最小值之差R max-R min= 0.0021m m,即测头的测量误差约为2μm。
表2测头检测中测量点及测量误差(μm)
测量点12345678910111213
误差-0.10.5-0.4-0.900.30.60.
60.40.1-1.00.30.1
测量点141516171819202122232425误差-0.2-0.1-0.60.6 1.10.4-0.9-0.20.40.1-0.2-0.6
三、结论
本文介绍了一种三坐标测量机准确度的检验方法。
文中采用了步距规作为长度标准进行检验。
如果用量块作为长度标准,同样也是可行的。
在测头系统的准确度检验中,采用了用球面坐标方式指定测量位置的方法,可使测量点分布均匀,计算简单。
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(1)减小电源线与地线间的耦合。
(2)采用缩短长度和增大宽度的方法来降低泄漏和线间感应。
(3)加入地线和电流线的屏蔽罩。
(4)采用地线与信号地隔离方法来屏蔽。
图4
(5)按照地线结构把I/O电缆接口移到低阻抗区。
(6)在输出线端加上共模滤波器。
同差模情况相似,某些差模干扰抑制技术对共模干扰并不起作用。
如图4(a)因为辐射信号是在信号线上的,增加电源与地线之间的耦合是无效的。
图4 (b)通过缩短地线和使地线变短的方法是无效的,因为这不是问题所在。
图4(c)如果屏蔽本身无效,移动屏蔽线接地点也是无效的。
比如:①辐射信号是在信号线和假定的回路上的,因而减小回路面积是无作用的,而使用绞股线和同轴电缆的方法来降低信号也是无助于事的。
②采用降低信号电压波动的方法可能会有点作用,但在许多情况下是没有作用的。
例如,有时辐射是由门电路数目的附加效应产生于电源或接地系统,采用隔离的方式进行抑制不会对信号降低起多大作用。
③屏蔽整个回路的方法:辐射电势是在信号地线上,若只屏蔽信号地线,所做的只是系统加上了更多的辐射天线。
④对信号线滤波的方法:这存在着滤波器接地的问题,采用信号地线是完全无用的,因为滤波器对辐射电势是悬空的。
综上所述,在解决电磁兼容中的辐射问题时,应首先明确辐射源的性质,是差模干扰还是共模干扰,只有针对具体的干扰采用相应的措施,才能收到良好的效果。
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