模电学习4. 差模、共模干扰与安规电容
- 一、简介
- 1. 安规
- 2. 电源安规标准
- 二、差模干扰与共模干扰
- 1. 共模干扰
- 2. 差模干扰
- （1）定义
- （2）来源与特性
- 3. 测量
- 4. 消除电源线路中的差模干扰
- （1）差模电容
- 5. 消除电源线路中的共模干扰
- （1）共模电容
- （2）共模电感
- 二、安规电容
- 1. 电容材料分类
- 2. 安规电容分类
- （1） X电容
- i. 规格
- ii. 工作原理
- （2）Y电容
- i. 规格
- ii. 工作原理
- 3. 安全电阻
- 4. 安规电容标识
一、简介
1. 安规
安规指的是安全规范，是对电源产品的装置和电子组件的要求，避免导致电击、能量（爆炸/拉弧/打火）、辐射、火灾、机械与热/高温危险、化学危险等灾害事故。要求产品在设计及使用时满足法律、法规及标准产品安全符合性要求。
常见的安规标志：
- 中国质量认证中心 CQC
- 中国强制性产品认证 3C
- 美国保险商实验室UL
- 德国VDE、德国莱茵技术TUV
- 韩国KC认证
- 瑞士SEV
- 加拿大标准协会 CSA
2. 电源安规标准
- IEC/EN 61558 ：一般用途的电源
- IEC/EN60950-1 ：信息类产品电源
- IEC/EN 61010 ：测量、控制、实验室设备电源
- IEC/EN 60601-1 ：医疗产品电源
- IEC/EN 60335-2-29 ：家用充电器
- IEC/EN 60065 ：音视频产品电源
二、差模干扰与共模干扰
1. 共模干扰
任何载流导体和参考地之间的不希望有的电位差，在导线与地之间传输，属于非对称性干扰。
2. 差模干扰
（1）定义
任何两个载流导体之间不希望有的电位差，在两导线之间传输，属于对称性干扰。
对三相电路而言，相线与相线之间的干扰也是差模干扰，有时也被称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。
其实这里的差模，指的是相位差。
（2）来源与特性
同一路电力线上工作的马达、开关电源、可控硅等会在电源线上产生差模干扰，频率一般较低，集中在1KHz以下。
3. 测量
使用频谱分析仪和电流卡钳可以测量与判断差模干扰。操作步骤：
- 将卡钳卡在信号线或地线上（火线和零线），记录下感兴趣的频率（记为f1）干扰强度；
- 将卡钳同时卡住信号线和地线，若观察不到f1处的干扰，则f1处的干扰完全是差模干扰；
若能观察到f1处的干扰，则f1干扰中包含共模干扰成分。要判断是否仅有共模成分，再进行下一步操作。 - 将卡钳分别卡住信号线和地线，若两根线上测的f1干扰的幅度相同，则f1干扰中仅含共模成分；若不相同，则f1干扰中还包含差模成分。
4. 消除电源线路中的差模干扰
（1）差模电容
在信号线之间接一个电容，下文中分析X电容会分析其工作原理。
5. 消除电源线路中的共模干扰
（1）共模电容
在信号线与地之间接电容，下文分析Y电容会分析其工作原理。
（2）共模电感
共模电感使用两个尺寸相同、匝数相同的线圈对称在环形磁芯上，有4个引脚。
下图电路中接入了共模电感。
对于差模信号，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和少量漏感造成的阻尼的影响；
当共模电流流过线圈，由于共模电流的同向性，会在线圈产生同向的磁场而增大线圈的阻抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以衰减共模电流达到滤波的目的。
下图中磁场方向可以使用右手定则来判断，其中i1为共模干扰，i2为差模干扰。
在电路中其它一此消除共模干扰的方法主要有：
- 采用双绞线并有效接地
- 强电场的地方需要采用镀锌管屏蔽
- 布线时远离高压线，高压电源线和信号线不要捆在一起走线
- 采用线形稳压电压或高品质的开关电源（纹波干扰小于50mV）
- 采用差分式电路。
二、安规电容
1. 电容材料分类
电容按材料主要可分类以下几种：
- 铝电解电容
- 钽电解电容
- 聚酯电容
- 瓷片电容
- ……
2. 安规电容分类
根据IEC60384-14的标准要求，安规电容常用的有X电容、Y电容，从下面工作原理图可以看到，接入X电容的电路像字母X，接入Y电容的电路像字母Y，这也是名称的由来 。
安规电容通过了国家的安全标准认证，失效后不会起火。
安规电容位于220V交流电的最开头位置，主要作用是对干扰信号进行滤波。这些干扰信号来源可能是雷电、开/关电源时的电压波动等。
（1） X电容
i. 规格
- X电容跨线火线-零线之间，滤除的是差模干扰。
- X电容一般标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样。安规电容实际耐压远高于标称值，如下所示：
不可以使用普通电容代替安规电容，通常多选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容，电容体积较大，允许瞬间充放电的电流也很大，内阻相应较小。
ii. 工作原理
如上图所示，当火线上出现高频干扰信号时，会经过X电容流向零线，电容两端的信号相位差是180度。这样高频信号就被X电容过滤掉了。
（2）Y电容
i. 规格
- 采用瓷片电容，跨线火线-地和零线-地之间。由于交流信号有负半周期，普通电解电容不允许施加反向电压，所以这里不能使用电解电容。
- Y电容容值不能偏大，耐压必须较高。一般在亚热带工作的机器，要求对地漏电电流不能超过0.7mA；工作在温带机器，对地漏电电流不能超过0.35mA。 Y电容的总容量一般不能超过4700PF。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。
- Y电容在电气和机械性能方面要有足够安全余量，避免极端环境下击穿短路。
- Y电容外观多为橙色或蓝色，一般都标有安全认证标志（如UL、CSA、VDE、KC等）
ii. 工作原理
如图所示，当火线、零线上同时出现高频干扰信号，由于两条线路上的信号相同，X电容两端不存在电压差，无法充电，无法工作。
而Y电容在信号与地之间，存在电压差，高频信号将通过Y电容形成回路，实现对高频信号的过滤作用。
3. 安全电阻
根据实际需要，X电容的容值允许比Y电容大，这时必须在X电容两端并联一个安全电阻，用于防止电源线拔插时该电容充放电过程导致电源线插头长时间带电。
根据安全标准规定，机器工作中拔掉电源线2秒内，电源线插头两端带电的电压必须小于额定工作电压的30%。
4. 安规电容标识
一个典型的安规电容主要印有以下内容：
- 制造厂商商标；
- 制造厂商型体及电容认证类别（X1,X2或Y1,Y2之类）；
- 电容标称容量， E6数系：1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8及其10进倍数；E12数系：1、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2；
- 容量允许偏差，J级（ ±5%)、K级（ ±10%）、M级（ ±20%）；
- 额定电压及电源性质，如275V~；
- 气候类别，如：40/105/21，含义是下限温度-40、上限温度+105，稳态湿热试验持续时间21天。
- 安规认证，如CQC、VDE等；
- 电容器的产品制造执行标准，如UL1283、IEC60384-14等。