037 差模滤波和共模滤波

差模滤波和共模滤波

1 差模滤波

低频滤波可以分为两类，差模滤波和共模滤波。根据前面的讨论，差模滤波试图减小电源线中通过地线返回的噪声。这就意味着电源线中的噪声首先会流出机壳再通过地线返回。因此滤波的策略就是在噪声流出机壳之前先将电源线的噪声旁路到地线中去，这样，噪声形成回路而且不会被测量到。可以在电源线中串联一个电感，阻止其流出，同时，在电源线和地线之间跨接一个电容，为噪声提供一个低阻抗回路。

商用与军用

尽管在前面对商用滤波和军用滤波的讨论已经表明了两者密切相关，但在设计一个低频差模滤波器的时候仍然会有不同之处。问题是设计一个电感在前电容在后的滤波器还是一个电感在后电容在前的滤波器(从电源内部向外部供电看)。商业测试方法通常测量电压，而且阻抗源相对比较大(50Ω)。可以利用这个阻抗源来阻断噪声，因此采用电感在前电容在后的滤波器更好，如图9-17所示。

在某些情况下，噪声的幅值很小，可能不需要电感，这个电容就与50Ω的电阻组成分压网络，电容阻抗通常很小，因此可以分流大部分的噪声。为使电路正常工作，电容的ESR 非常关键。在这种应用场合，需要采用多层瓷片电容或金属化塑料电容。

针对军用测试时，相反地，阻抗源是个低阻抗(10μF 电容)，通过测量电流来测试噪声。为防止噪声电流流过这个低阻抗，需要采用电容在前电感在后的滤波器(如图9-18所示)。

在这种情况下(与商业用途不一样)，毫无疑问，这个电容作为输入电容，如大的电解电容已经存在，最好在这个电容上再并联一个1μF 或100nF 的瓷片电容(或者同时并联——一般1μF 的电容在1MHz 以下有效而100nF 的电容可以工作到10MHz)。这个方法通常用来解决大电容在高频下特性差的问题。

交流　电容　低阻抗回路

参数选取

设计L和C的值是非常直观。在测试时，已经知道没有滤波之前的噪声频谱，设计的二阶滤波器在转折频率以后可以将噪声以40dB／十倍频的斜率衰减。下面是设计滤波器转折频率的步骤。

实用提示首先找出超指标的噪声最低频率分量(如前面所述，最好采用单纯的测量差模的方法，而不是测量差模和共模混合的测量方法)。假如，在100kHz处超出指标20dB(10倍)，如果滤波器的转折频率设定在100kHz／=30kHz时可以将噪声分量抑制在规定值以内(由于是双极点，因此开根号)。然后，在测量的噪声频谱最高点开始，画一条直线，然后在30kHz的地方画一条40dB／十倍频的斜线。如果没有其他噪声分量的峰值在这条线以上(通常如此)就完成设计，需要的滤波器的转折频率点为30kHz。如果仍然有一个或者多个噪声分量的峰值在这条线以上，重复刚才的设计步骤直到找到一个最低频率点，可以保证所有的噪声分量的幅值在这条线以下。(有意思的是，噪声的指标通常是30dB／十倍频的斜线，介于一个极点与两个极点之间)。

当LC滤波器的谐振频率确定以后，仍然需要确定一个参数用来计算每个元件的大小。通常情况下，无论成本还是损耗(由于等效串联电阻的原因)，电感比电容更贵。所以一般希望电容量大一些，电感量小一些。在实际中参数的选取将在下一节“最优滤波”中讲述。

2 共模滤波

相对差模滤波器的多样性，共模滤波器可以选择的不多，因此设计相对比较简单。共模滤波器包括共模电容(通常称为“Y电容”，差模的称为“X电容”)，不平衡变压器(这个术语来自平衡-不平衡变压器)或共模电感，如图9-19所示。共模电容将两个输入线的共模电流旁路到大地，共模电感(注意图中的极性)呈现一个平衡阻抗，也就是说，电源线和地线中阻抗相等，这个阻抗对共模噪声呈现高阻抗特性(共模电感图中所示的Z形符号是个标准符号，两个圆点也是一样，有时可能只画其中的一个)。

参数选取

在参数选取上，共模滤波器与差模滤波器正好相反，共模电容通常比电感贵。原因有两方面。首先，

由于共模电容一端接大地，因此其耐压必须能够承受3kV甚至6kV瞬态电压，因此体积很大。另外，由于有严格的安全规定允许流入大地的电流的大小，这就限制了能够使用的共模电容的电容量，通常是几个纳法。因此，选定允许的最大电容量，然后使用前面所述的相同方法确定LC的转折频率，这也就决定了共模电感的电感量。

实用提示如果计算后发现需要很大的共模电感量，不用担心。共模电感的两个绕组的电流相等，没有净的电流流入。因此可以绕很多匝也不会使磁性饱和。

另外，在计算所需要的电感量时，对共模噪声而言两个电容是并联的(数值增加一倍)，共模电感的每个绕组是相串联的，因此匝数也增加一倍，电感量增加四倍。这样就可以获得8倍的噪声抑制(如图9-20所示)。图9-20所示的电容量为9.4nF，电感量为4mH，转折频率为26kHz!