差模干扰与共模干扰的原理及解决方案
差模干扰与共模干扰的原理及解决方案
在电子设备和通信系统中，电磁干扰是一个常见的问题，其中差模干扰和共模干扰是最主要的两种类型。本文将详细介绍这两种干扰的原理、产生原因以及相应的解决方案，帮助读者更好地理解和应对电磁干扰问题。
普通滤波器原理图
如图所示，滤波器主要由差模电容（3）、共模电感（2）和共模电容（4）组成。一般情况下，滤波器不会单独使用差模线圈，因为共模电感的绕线差异会导致其具有一定的差模电感作用。如果差模干扰特别严重，才需要追加差模线圈。
1.1 差模干扰
差模干扰简单来说就是线对线的干扰。从图中可以看到，UDM是差模电压，IDM是差模电流，且IDM大小相同但方向相反。
1.2 差模干扰产生的原因
差模干扰主要来源于同一电源线路中的设备，如电机、开关电源和可控硅等，在电源线上产生的干扰。
1.3 差模干扰的影响
差模干扰直接作用在设备两端，可能影响设备正常工作，甚至造成设备损坏。其表现形式包括尖峰电压、电压跌落及中断等。
1.4 差模干扰的滤除方法
主要采用差模电感和差模电容。
1.4-1 差模电感工作原理
当电流流过差模线圈时，线圈内的磁通会增强，相当于两个磁通之和。线圈的特性是低频时阻抗低，高频时阻抗高。因此，在高频时可以利用其高阻抗来衰减差模信号。
- 当频率为50Hz时，线圈阻抗接近于0，相当于一根导线，不起任何衰减作用。
- 当频率为500kHz时，阻抗达到5k欧。理想状态下，负载阻抗一般考虑为50欧，根据公式计算，此时差模线圈分得了99%的差模干扰电压，而负载只分得了1%的差模干扰电压。同时，电流也有很大衰减。
1.4-2 差模电容工作原理
电容的特性是低频时阻抗高，高频时阻抗低。滤波器利用电容在高频时的低阻抗来短路掉差模干扰。
- 当频率为50Hz时，电容阻抗趋近于无穷大，相当于开路，不起任何衰减作用。
- 当频率为500kHz时，电容阻抗很小，根据公式可以看到差模负载的电流衰减为趋近于0。例如，当频率为500kHz时，负载为50欧，容抗为0.05欧，此时电容分得了99.9%的差模干扰电流，而负载只分得了0.1%的差模干扰电流。也就是说500kHz时，电容使得差模干扰下降了30dB。
第二章、共模干扰
2.1 共模干扰的定义
共模干扰是指共同对地的干扰。从图中可以看到，UPQ是共模电压，ICM1和ICM2是共模电流，它们的大小不一定相同但方向相同。
2.2 共模干扰产生的原因
共模干扰产生的原因有很多，主要包括：
- 电网串入共模干扰电压
- 辐射干扰（如雷电、设备电弧、附近电台、大功率辐射源）在信号线上感应出共模干扰
- 接地电压不一样，即地电位差异引入共模干扰
- 设备内部电线对电源线的影响
2.3 共模干扰的影响
共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电供电时，变送器输出信号的共模电压可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏。
2.4 共模干扰的滤除方法
主要采用共模线圈和共模电容。
2.4-1 共模线圈
共模线圈和差模线圈的原理类似，都是利用线圈高频时的高阻抗来衰减干扰信号。但共模线圈和差模线圈的绕线方法相反。因为差模线圈在滤除干扰的同时，还会一定程度的增加阻抗，而共模线圈对方向相反的电流基本不起作用，所以在满足特性的前提下，一般很少使用差模线圈。
文献一：当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。
文献二：电流定律表明，相同大小、相同圈数但方向相反的电流产生的磁通会互相抵消，导致共模线圈对不同方向的电流不起作用，而仅仅让其通过；但对相同方向的电流所产生的磁通，因为磁通方向相同，磁通没有抵消，故共模线圈起着阻抗器的作用，压制了同方向的杂讯电流，达成抗电磁干扰的目的。
2.4-2 共模电容工作原理
共模电容的工作原理和差模电容的工作原理是一致的，都是利用电容的高频低阻抗，使高频干扰信号短路，而低频时电路不受任何影响。不同的是，差模电容是两极之间短路，而共模电容是线对地短路。3300pF、1.6mm引脚的共模电容谐振频率点为19.3MHz。
(下面仅为个人观念，仅供参考：我觉得，共模电容不是单独工作的。它是和共模电感共同工作组成一个谐振回路共同起作用☺如下图，因为我对此没有100%把握。等我弄明白再一起讨论吧）
穿心电容
在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1GHz。普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声，主要是因为两个原因：一是电容引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；二是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。
穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为它没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。但在使用穿心电容时，要注意其怕高温和温度冲击的特点，这在焊接时会造成很大困难。特别是当需要将大量穿心电容安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在拆下损坏的电容时，可能会造成邻近其他电容的损坏。
我的理解是：首先，穿心电容是一个共模电容，它是线对地的电容。其次，穿心电容是一个比较理想的电容，它没有引线，大大提高了谐振频率点。虽然我没有具体测量过，但根据插入损耗曲线可以推断，在频率为100M-10G时，穿心电容有很低的阻抗，很接近理想电容曲线。