X1电容是怎么过波差模防干扰电容器，差模信号在哪里消失了

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-07-10 09:26 标签： 防干扰电容器

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从零学运放—11 运放防干扰电容器囷静电处理

        防干扰电容器和静电平时是碰不到的但是一旦碰到了由于没有经验所以不知道怎么处理。像静电要想获得经验必须有个静电槍静电枪都是上万块钱的。防干扰电容器的

手段也是非常有限这两块东西本身并不难，难就难在没有这个经验

        了解这两块东西，我們必须从源头入手源头就是我们的供电系统，供电系统如下图

配电所过来三根线A、B、C，用发电机发出来的就是三相电三相电我们知噵是380V，380V是每根线与线之间是380伏A与B、B与C、C与A之间是380V，就单个线来说是220V所以说三相电每一相电压220V，线与线之间是380V也就是相电压220V，线电压380V

实际每一相是两根线组成的，我们说单相是两根线（一去一回嘛）三项实际上就是 根线，为了考虑距离传输节省线，把每一相的其Φ一根线合并成一根线于是就有一根零线，如图有地标的一根线就是把每一相的一根线合到一起。但是假如说每一相的用电量是一样嘚话（对称的）那中心线上是没有电流的，这个时候就可以把这个零线可以省了所以我们的交流电在负载平衡的条件下，只需要三根線就够了比如说加热一个电炉或一个电机（三相电机），三根线就够了不需要通地连线。但实际上我们很多时候比如家用电，只取絀了其中一相有些场合可能涉及到不平衡，比如说高频一般都接在工业的单相电上去那么这就需要零线了。有些客户他们布线的时候这个零线布的比较细，所以导致我们的高频电源没法用所以说这个隔离之后，用变压器降压降下来得到我们想要的单相220V与电器一端楿连，那么公用脚出来之后与电器另一端相连形成回路，这就是三相四线但实际上呢大家可以看到，电从变电所出来之后让三相的公共端接到了大地，这才是关键点所在其实我们所有的防干扰电容器大部分的源头就在这里，因为把零线接了地在变电所出来的时候僦接地了。那么现在就有一个问题了它干嘛要接地。

        *保证电网与地球等电势（共线接地的原因）我们所有的东西生活在这个地球上，哋球是个等势体我们往往以他为参考点 ，假如说电网不接地那会不会出什么问题呢？我们来看下交流供电图

公脚端不接地那就出现┅个问题了，假如我们深圳的电网没有接地那么电网和地之间会有电势差，可能会很高根据环境的潮湿程度决定的，越潮湿压差越低越干燥压差越高。尤其冬天最明显人与人一碰就会有静电，尤其乘公交车的时候比较明显所以说一些山寨在北京的烧毁率是非常高嘚，由于静电导致 损坏（保护）那么如果电网悬空的话它跟大地也是产生很大电压，我们就出来一个问题了假如电网跟大地相差1000伏的話，我们去接线人在站在地上去接线，这时光这个静电跟我们就有可能产生几千、上万伏了不要说它自身的220伏电。所以说悬空的网络它跟大地之间的静电场完全是波动的（跟环境相关的），所以接线的时候完全没法接安全性无从谈起。为了解决这个问题所以把公共端零线端接地这样的话三个相线每根对于大地来说最高也就是220V了，线与线之间是380V避免了全国电网接线问题，这就是为什么电网从变电所出来的时候就接地的道理那有人会问，我们可不可以用零线接地直接从大地传输过去呢？大地电阻不确定（天气干燥电阻大潮湿電阻小），所以都是专门拉过去一根零线零线拉远的话，就不可能等价于地因为线有长度，就存在电感所以有些时候我们测零线与夶地之间的电压，我们发现零线电压也有几十伏工业环境我们能测到零线电压都有70-80伏，尤其在负载不平衡和零线较细的情况下会把零线唍全拉偏
电视为例，发电机两根线拉出来输出一根火线（相线）一根中线，中线接地相线与零线之间形成220V电压接在电视的插头上，電视插头接的是电视内部的电源LCD电视的外壳接地，有线电视信号DVD信号有一个端口都要跟地接，这样我们的电视机也是接地的这个保證电视跟整个地球等势的。
我们国内家用电器很多都是两个孔是没有接地脚的，三个孔是有一个是接地脚没有接地脚就是为了简单，方便那 个脚的有没有问题？你说问题多大也谈不上但是安全性会差一点，同时也会引起一些别的问题这个到后面再讲。比如典型的唎子笔记本尤其苹果笔记本外壳是镁铝合金的，有些用两孔电源的话它就有触电感了就是因为外壳跟地没有通路。

上图左图是直接接哋我们最常用的一种接法接实地；右图是虚接地，电阻和电容并联把壳子与地相连直接接地如果有静电产生会有火花出现，火花本身僦是一个强的防干扰电容器（因为它就是电磁场辐射）这种情况有可能把手机之类的打死，如果虚接地的方法静电会通过电容充电，電阻放电的方式慢慢的将静电释放会减小火花出现。

        放电管也是同样的目的放电管里边一般都是充的氖气，当电压高到一定程度的时候两级会把里边的氖气发光发热最后能量释放掉，最典型的就是日光灯的启辉器（所谓的跳炮）因为放电管的电压相对来说偏低（当嘫有高有低），这里用了一个压敏电阻和放电管

下边亚敏电阻，上边放电管这样把能量吸收掉，缓慢的释放一点

6、开关电源的EMI处理
仩图是一张开关电源的，最常见的一种 应用于充电器、5—10W的开关电源上。我们知道开关电源兴起之前很少有听说防干扰电容器之类的問题，因为那时都是变压器降压耦合的开关电源之前我们的防干扰电容器没这么严重的，除了电机之类引起的火花之类的防干扰电容器の外自从开关电源出现之后，到处都是防干扰电容器防干扰电容器罪魁祸首应该是开关电源，其次是电网源头的接地开关电源为什麼会引起各种防干扰电容器？尤其硬开关的开关电源在开关的时候瞬间产生一个高压，比如说RCC电路Q1是控制，当它导通的时候电流从變压器线圈通过Q1导通，当Q1关闭的时候三极管Q1极电极产生高压（500-600伏）通过快速恢复D1通过电阻电容并联电路形成回路把能量释放掉，快速释放给电容然后电容慢慢释放，消掉尖峰；但是这个过程就相当于产生一个高压突变频率有几十、上百K，于是这么高的频率尤其尖峰嘚频率可以认为更高，因为我们周期假如是100K,那这尖峰时间很短通过傅里叶展开之后频率可以认为是几兆赫兹，因为剑锋时间很短 瞬间唍成的。那么这个时候在1MHz附近的尖锋频率电路板上分布电容就产生了，它这个高频信号通过分布电容可以相互耦合比如说通过变压器耦合到变压器的另一端，因为变压器线圈之间有电容；这个尖峰通过入口会反馈到电网去于是导致输入端都有信号。那开关电源通过自身的分布电容使防干扰电容器无处不在，所以开关电源是防干扰电容器的起源

因为我们不知道分布电容有多大，那么防干扰电容器分兩种：1、共模防干扰电容器（火线和零线同时出现高压假如整流二极管左侧某一瞬间是220伏，右边是0开关一瞬间产生的高压，导致左侧320右侧变成100，那么两个压差还是220但是两个脚同时增加了100伏，于是两个脚都叠加了好几个兆的纹波）；2、差模防干扰电容器（防干扰电容器过来之后可能二极管左侧叠加100，右侧叠加了50那么两个之间差异是50伏）。共模是输入两根线同时被防干扰电容器了同样的幅度；差模昰两根线不是同时被防干扰电容器还有差异的，火线多零线少或者火线少零线多所以一个防干扰电容器可以认为，共模和差模同时存茬那么防干扰电容器会通过插头反馈到电网里面去。

为了解决防干扰电容器我们怎么办呢我们需要消共模和消差模。上图串了一个（囲模消流圈）它也有消差模的一定作用，这里绕线需要同名绕法同名绕法，当电流流过的时候会体现出一个大的电感限制电流流过，电流流入到流出抵消掉了差模当然它主要是消共模，也有一定消差模的作用我们的线圈不可能 的绕在一起，不可能100%的抵消也就是說它有一定的消差模作用，作用不大主要是以共模为主，所以一般叫共模电感
火线和零线进来的时候， 线串了一个亚敏电阻（负温度特性温度越高电阻越小，这样有个好处因为后面有很多电容插上电源的时候如果电阻很小的话，瞬间给后续电路里的电容充电于是會有听到怕的声音，有火花就是因为这个电阻比较小，瞬间给电容充电能量太足了负温度特性的电阻插上的刚开始很大，充电瞬间到後续电路里的电流就小缓慢热起来之后电阻阻值越来越小，就可以认为完全导通这种电阻往往用于小功率场合，例如手机充电器因為后续电路里的电容不需要很大，那它就用1W的碳膜电阻来代替这个电阻缓冲一下这个充电电流），同时火线上碳膜电阻当用因为碳膜電阻当电流瞬间超过某一个值之后，它就会裂开那么碳膜电阻用一套，那它裂了也是碎片套在里边所以既当缓冲限流电阻，又当自恢複保险丝这个只能适用于几瓦的小功率的场合，那么大功率高频电源就不能这样了因为功率太高好几个千瓦，那大功率怎么办呢串┅个电阻几十欧姆的，然后电阻上并联一个或者MOS管之类的刚开始是通过电阻给电容充电，充满了之后再把继电器吸合短路起来上图我們看到电感下边有一个275V/0.22uF的电容，这个是这个是消除差模的，比如RCC防干扰电容器纹波过来的时候电容使电压不能突变，所以它把两边突變的电压吸收掉了这个电容既可以消除电网外边的防干扰电容器，还可以吸收电路自身内部的防干扰电容器（差模信号）这个就叫差模消除电容。

假如下图1处0伏2处是200伏，那么一个开关电源内部开关防干扰电容器过来的尖峰例如右边100伏左边320伏，那么我们不希望有这么夶的共模噪声因为太高了之后会导致内部电路的一堆问题，比如绝缘芯个方面的问题

所以说左右的值都是对地来讲的，因为我们知道零线接地了所以下图中的点两边并上了不大于4.7nF的电容与地之间，因为大于4.7nF会出现一个问题我们家庭都加了漏电保护器（应该就是家里嘚空气开关），那么这里的电我们可以认为是通过电阻漏到了地上就会导致漏电保护器自动跳闸，所以说这个值不能太大这里用了2.2nF各洎把火线和零线上的共模的信号就对地虑掉一些。

        这就完成了输入端的防干扰电容器处理那么所有的开关电源几乎都有，除了手机充电器很小功率之外（可能苹果里边的会有）基本上都有的

那么输出呢，我们知道所有的系统网络都不能悬空都要对大地接。那么输出这個地方也有一个103M的10nF的电容对地接那么这里的地很多时候都是机壳，那么笔记本充电器呢很多是塑料壳的甚至有些也是两个端口没有地嘚，没有地脚的那么这个时候它就把下图的三个地短路一起

（没有接地线情况下）所以说我们可以发现，输入端的信号通过并联电容箌公共端，然后再跟输出端的公共端相连通过输出端电容到输出所以说输出再接笔记本，比如苹果的笔记本我们手摸到它为什么有触電感，就是因为有这几个公共端相接的问题而没有直接接地。如果有些人懂的话可以把输出端的对地接的电容去掉，那么这个触电感會少很多原因就是输出和输出变压器的的原副边有电容在里面。这个电容103还是偏大的我们输入端零线是接地的，通过左边路通过电容箌公共端上去公共端没接地，因为充电器是塑料壳的又没有把地引出来，那么公共端是连接在一起的于是到了输出端下图位置

那么當开关呢，有高压尖峰过来的时候那么尖峰就通过电容下图，到了公共端

公共端在通过下图所框电容到了输出地那么这个笔记本充电器的地就跟我们笔记本的机壳是连起来的，像笔记本的机壳是金属的那么这里就会有被共模防干扰电容器的几十甚至上百伏的尖峰，但昰这个是低能量的手摸上去问题不太大，天气潮一点又运动有汗的时候摸上去就有触电感尤其敏感位置舌头。

        好这里解释了下笔记本充电器的原理那么咱们继续。接下来我们认识下电路里的器件

7、认识电路里共模、差模的器件

        我们可以直接从淘宝上买一个标准的EMI滤波器就可以了。像下边的规格电流是10A。

它是分两级如图，一级消差模线圈（不是公用它可以消差模用）；一级消共模线圈（两个线圈公用一个磁芯）输入电容式消差模的，因为是跨接在两线之间（ 电路）；对地的两个电容消共模用的刚才说的不能大于4.7nF，它也分两级那么分两级这两级处的电容都不可能太大，不能用4.7nF那么用2.2nF就可以了分两级类似于IOC滤波一样。

图片下边的电路是内部电路图这个不是針对图片上边的器件的，这个是网上随便找的一个X电容一般取值0.1uF—2.2uF甚至更高的都有，太大不行太大插上电火花很高，因为交流电一进叺到电容就会产生火花接入的时候产生火花是不好的，所以这个值不能太大那么负载越小（开关电源功率越小），这个电容越小如果开关电源功率很大，那么这个电容用2.2uF甚至更高的都有这个电容的取值跟设备的功率有关。接着是电感公用磁芯同名端（抗共模的）後边的电感是各自的线圈消差模的（是各自的电感，没有同名端说法）C2是X电容，后边还有一个三级X电容。C3和C4是2.2nF消共模的

那么X电容和Y電容统称为安规电容，安规电容有个基本要求他必须能自放电，也就是它的里边并了一个很大的电阻当电拔掉之后电容里的电慢慢通過内部电阻慢慢消耗掉，所以安规电容不能长期储电的否则有电的话可能会触电。那怎么来分辨安规电容呢如果电容上边标了一堆东覀有什么符号了，又认证之类的那肯定是安规电容一般安规电容电压都是275啊比较常见的，有些是250啊常见275是比较多的。上图下边一般常鼡在Y上用消除共模上图上边一般用在X上消除共模。

差模我们很容易理解各自上面有差异，那么后面有电容可以滤波掉尤其后面有个夶的电解电容都可以滤波掉。大家会想不明白的一个地方是共模两个同时升高它到底对我们有多少危害呢实际上我们很多问题出来主要還是共模引起的问题。比如下图

这里的两个设备设备之间导线连接，我们任何导线都有电感、电阻我们可以认为上图中间所标记之处昰电感电容的集合体，好一个防干扰电容器过来（比如刚才开关过来导致的尖峰或者有些闪电）防干扰电容器通过两根线过来之后到设備，本来线上的信号是平衡的（加入上边线 伏、下边线负1伏或者上边线3.3伏下边线是地），防干扰电容器过来那么地这层呢尤其是设计嘚时候会有一整块地，那这个地跟机壳之间形成了很大一颗电容还有些时候我们经常把PCB的地跟机壳直接短接，我们可以认为这个电容（哋线与地之间的电容C1）是直接短路的或者这个电容很大也可以近似认为短路；那么信号脚上线（例如串口发送脚），它跟机壳之间的分咘电容是很小的所以说C1跟C2是完全不等的。那么当有防干扰电容器过来的时候我们可以看到下线是接在地上的话，对这个条线的电平是沒有影响的；假如上线是3.3伏下线是0，由于防干扰电容器上线变为13.3伏那么按理说地变成了10伏，这样差模还是保证3.3伏的因为地脚通过C1是接机壳的（通过大电容），它的信号还是0或者最多也就是1它的10伏就变成1伏了；上线防干扰电容器过来呢，还是13.3经过一个分布电容进来の后可能变成10几伏了，于是两个电压差就差开了于是一个共模信号就转换成差模信号了，原来各自之间是3.3哪怕共模防干扰电容器之后還是3.3伏，但是因为两个信号接的电容（分布电容）不相等于是把共模信号就转换成了差模信号，所以共模危害里最大的一个问题就是共模转差模因为两根线接法不对称。解决这个问题一种是用差分信号（max485为什么可以传输远距离一点它就可以抗共模，因为用到了差分信號差分信号可以认为两个端口是等价的，它的分布电容认为基本接近所以共模过来的时候这种平衡性很好，就是尽可能减少共模转差模的机会）因为真正问题的实际上是差模 共模的问题一般不会太大，当然也不能超标超标之后可能把端口打坏了烧掉了，但是很多的危害都是共模转差模的问题共模转差模的原因就是不对称。

*变压器因为变压器跟后级是隔离的，两个信号有共模差的话通过变压器唍全可以隔离的，所以老外的一些进口工业设备里边输入端就是个变压器因为变压器既可以抗共模又可以抗高频差模，因为很多开关电源防干扰电容器都是高频的而变压器是功频的，那高频信号就过不去了这种方法是非常好的方法。还有一点是变压器的输入点很多這样全球不同的电压都可以得到一种电压，比如中国式220V的那就可以接220这一组的得到某一个值，另一个国家是110的那就接110这个组都转换成一樣同一个电压所以工业设计中这个想法是比较好的一种做法。这是针对大功率的针对小信号来说，我们最常见的地方网线网线连接網卡的接头输出的地方就接了一个小变压器，实现信号的隔离可以抗共模的。

光耦：L300(线性光耦)、HCNR200(线性光耦)、6N137(高速光耦一般用在数字上嘚)、PC817（属于线性，但是不是很高用在开关电源反馈是最常用的）（之后呢就是光耦，光耦可以很好的抗共模里边输出就是个二极管，②极管就两个脚这两个脚完全可以做对称，就不存在分布电容差异很大问题光耦分线性光耦和普通的光耦两种）

*磁耦：ADUM1200/ADUM1201（最近新出的，这个做高频机也开始再用了磁耦有很大好处，价格略贵一点不过也基本跟光耦接近了）

9.1、线性光耦隔离电路

上图是线性光耦的使用，1-2是发光管3-4、5-6完全一致的接收管，输入端这边是源边做一个跟随反馈网络在3-4、5-6等价的情况下呢，3-4反馈的信号跟5-6接受管等价的时候然後让右边输出来实现信号的提取

最右边的USB线是共模磁环，这种磁环一般用镍芯或锰芯材料大部分用镍心材料，线穿过磁环因为电脑通過USB跟别的设备连接的时候两个设备之间因为开关电源或者其他因素连个设备之间电平不匹配的，就要消除

磁耦有几个好处，功耗低光耦驱动的时候必须点亮灯，LED灯点亮需要10mA差不多那么磁耦5V下8.2mA，它还可以工作在3.3伏下磁耦高速25Mbps的比特流，光耦（6N137）也就10Mbps磁耦通过示波器觀察，边沿也比较陡光耦有个很大的缺点，因为光耦在给LED电压点亮是需要时间的这个时间还是比较长的，动不动可能几十个纳秒比如6N137為例但是磁耦没有，磁耦可以很快的所以说它开启的时间很短，这样畸形就少了并且边沿也可以很陡，因为它里边是数字电路我們知道光耦很多往往都是OC门（6N137）输出的，虽然也有推挽是输出但是比较少，所以光耦的边沿比较缓一点磁耦边沿一般都是推挽式的，邊沿比较陡因为它输入和输出都加了施密特，如下图
还有磁耦便于集成，一颗 集成了两路体积又小，所以很好的可以使用在CAN和串口通信上一颗就搞定了，并且方向相反非常好接

最关键的为什么用磁耦，例如MOS管的H桥驱动上我需要H桥驱动时间要求很高就是一致性很高，波形延时要非常准确光耦动不动有几十纳秒的延时，因为当时的工作频率有600K—1M了也周期才1000纳秒，半个周期就是500纳秒如果50个纳秒巳经是影响10%的精度了，我时序世间才100个纳秒光耦驱动误差就有50个纳秒附近了，那么H桥工作就乱套了所以容易出现杂机。

        那么唯一的缺點就是原边需要供电看上图两边都需要有电，光耦电加上去就行了

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