共模扼流圈的一种改进方法及其应用

共模扼流圈的一种改进方法及其应用 电子设计中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与S0C)2006年第22卷第10— 2期 文章编号:1008—0570(2006)10-2-0108-03 共模扼流圈的一种改进方法及其应用 AKindofImprovedMethodofCommon—modeCurrentChokealongWithitsApplication (中国海洋大学)崔世耀熊建设宋柱芹王永进 Cui,ShiYaoXiong,JianSheSong,ZhuQinWang,Yongjin 及其在视频信号传输中的应用摘要:本文阐述了一种对共模扼流圈的的改进方法. 与实现. 关键词:共模扼流圈;地环路;视频信号;计算机数据线 中图分类号:TN751文献标识码:B Abstract:Thispaperintroducesaimprovedmethodofcommon-modecurrentchoke,alongw iththeapplicationandrealizationofvideo signaltransferwiththecommon-modecurrentchoke. Keywords:common-modecurrentchoke,groundloop,videosignal,databus 1引言 在视频基带信号传输过程中.我们经常采用共模 扼流的方法可以抑制外界的噪声干扰.但是目前现有 的共模扼流圈(这里指的是视频基带传输所用的共模 扼流圈.不考虑经过调制解调的)多数都是采用同轴 电缆在变压器的铁心上绕制而成,为了获得较大的电 感值,就要尽量多绕制才能取得理想的效果.而电缆 线一般较粗,以至于做出来体积太大,不方便使用.所 以本文就介绍一种共模扼流圈的改进方法并对其进 行应用实现 2共模扼流圈的原理分析 如图2—1(a)所示当两根导线通过的信号电流大 小相同方向相反,叫做差模电流;而流经两根导线的 噪声电流方向相同.该噪声电流称作纵向电流或共模 电流图2—1(a)的电路性能可用其等效电路图2—1 (b)lJH以分析.信号源电压u经连接电阻R,R接至 负载R?视频抗干扰器则可以由L,和互感M表 示.若两个绕组完全相同且紧密的耦合在同一磁芯 上,则Ll==M.U.是地线环路经电磁耦合或者由于 地电位差形成的共模电压.因Ra与R串连,且R<< R,故R可忽略不计. 首先分析电路对u的响应,为分析方便起见,先 忽略u的影响,则图2—1可由图2-2来表示. 图2-2(a)为分析图2-2电路对信号电压u的响 应的等效电路.在该图中,I1表示u提供的电流,I表 示经下面的一根导线(通过R)从R返回到u的 电流,I.则为通过地线返回的电流.它们的关系是IG= I厂I.由于Ll==M,列网孔方程可以得出当u的角频 率0)大于5*RcJL时,I1基本上全部通过下面一根导 崔世耀:硕士研究生 线(经过R)从R返回到U中,即IG=0.若选取的 IJ2可使最低的U角频率(视频传输系统中我们 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 最 低信号频率是tOD=2Wx50HZ,即场频)tOD>>5*R?,L2,则 有I.这时在图2-2(a)上面一个环路的电压可以写成: Us 纵向电流 (a)实际关系 r一一…一] (b)等效电路 图2-1当要求直流或低频连续时,可用共模扼流罔断开地环路 (b) 图2-2共模扼流圈对信号及噪声的影响 I.R 一 108—360元,年邮局订阅号:82.946 电子设计 Us-j(t)(Ll+I)IS-2j~oMIs+(RL+R)Is(2—1) 因Ll=L2=M,且RL>>R 故Is=Us/(RL+R)=Us,RL(2-2) 由式(2-2)可知对于信号电流来说等于没有接人 扼流圈时一样,也就是说当扼流圈的电感足够大且在 信号最低频率?.高于5*RJL时,加入扼流圈对信号 的传输是没有影响的,也即不会有明显的衰减.(L=LI= L2=M) 再看图2-2对共模电压(即干扰电压)U.的响应. 这时等效电路如图2—2(b)所示.当未加扼流圈时,噪 声干扰电压将全部落在RL的两端.加装扼流圈后,根 据图示的两个环路写出网孔电压方程,就可以确定加 在RL的噪声干扰电压U,网孔方程表示如下: Il环路:UG-j(t)LlIl+j(t)MI2+IlRL(2-3) I2环路:UG=j~oL212+j(t)MI1+I2R(2-4) 由式(2—4)得.12:(2-5) 又因L:k=M=L,将式(2—5)代人式(2—3)中得: I1=一(2-6)RRl1一L c2+L)+c2RL 又因U=IR,RQ<<R,由式(2—6)我们可以得到 UN- 把(2—7)式化成下式: (2—7) (【0表示噪声干扰电压的角频率)(2-8) 为了尽量减少这一噪声电压,应当使R尽可能 的小.而且扼流圈的电感L应满足表达式L>>Rho(~o 是噪声频率).扼流圈也必须足够的大,以保证电路中 流动的任何不平衡直流电流不会使其饱和. 3具体改进方法 本文就是采用较细的计算机数据线来代替同轴 电缆,在高导磁率的材料上绕制而形成的共模扼流 圈.因为高频信号在电缆中传输存在趋肤效应,因此 可以认为采用较细的计算机数据线来代替同轴电缆 只是将同轴电缆压扁了而已.把两个线圈L和L2都 绕在同一只磁环上,两组线圈匝数相同,线间排列均匀 一 致,绕组绕向如图(3,1)所示. A B C D 图3-1绕线示意图 用MXO22000中l8x8x5(单位:mm)的磁环作磁 芯,L和绕组各绕50,70圈,导线线径为中0.6mm ,其中数据线要求三根并排在一起来饶制.电感量为数 毫亨,传输信号从同名端A,B输入,从另两端C,D输 出.由于输入电流通过两绕组所产生的内磁通是互相 抵消的,磁芯不会饱和,而加入高导磁磁芯后,电感量大 大提高(可很方便地做到毫级),抑制干扰能力大为加 强.当然,两根电源线上的差分干扰信号在磁芯内所产 生的磁通并不能互相抵消,但这类信号绝大部分被电 容C旁路(C1为0.331xF,C2为3300,4700pF),危害 不大.对于其他干扰信号(如共模信号),由于自感电势 和互感电势是同相的,如同接人高阻抗器件,故能起到 普通低频扼流圈的作用. 4应用及其实现 在视频信号传输过程中地环路会和50HZ行频成 为主要的噪声源,尤其是当多个接地点相距很远并且 连接到交流电源的地上时.我们可以使用变压器隔离 两个电路,从而把干扰消除.可是尽管变压器能达到 很好的效果,但是仍然存在不足的之处:体积太大,频 率响应范围有限,不能通直流,且价格昂贵.由于电视 监控系统的视频信号传输的频率范围在0MHZ, 6MHZ,因而使用变压器隔离法是不适用的.鉴于此本 文所采用的解决办法就是用改进的共模扼流圈(也称 中和变压器)的形式,对上述的噪声进行抑制. 由式(2—8)我们这里设RC2/L=a,=,) 则有(t))=_?一 再设(t)=na(n=0,1,2,3……) 则有?):—j na — +a (4—1) 把n=0,1,2,3……逐个代入(2-9)式时,发现当 n=5时. 11 即有:If(,o)l去0?2 也即当m=5*R/L时,iu~/uGI=0.2 这说明当~o=5*RJL时,或L=5*RJ(t)时,负载上 的噪声干扰电压会下降到原干扰电压的20%以下.在 实际工程应用上,我们可以认为这时的干扰属于可允 许范围或接近允许范围.当然继续增大电感L的值, 噪声干扰电压在负载上造成的影响会进一步减小,但 由于L的增大,会造成共模扼流圈制作上的困难和提 高制作成本.而当我们取L~>5*RJ?即能明显起到抑 制噪声的作用. 即(t)?5*RJL 实测量所实现的共模扼流圈: 一 组电阻电感值为: R=1.5Q L=0.1H 由此得出f=~/2II?51.5/0.1/2II f?l1.9HZ 由于电感值较大,测的产品的效果比较好,可对 各种原因引起的外界干扰有较好的抑制能力. 另一组电阻电感值为: 圄自控阚邮局订阅号:82-946360-,~/年一109— 电子设计中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2006年第22卷第10?2 期 R位=1.2,O L=O.026H 由此得出f=to/2H?51.2/0.026/2H f?36.7HZ 这说明本文所设计的产品可分别将频率范围在 11.9HZ和36.7HZ以上的噪声信号强度抑制在20%以 下.而对于最经常出现的50HZ的行频干扰分别抑制 到了5%和10%以下. 下图(4—1),(4—2)是在EWB上仿真得到,其中 (4—1)是没有加接入共模扼流圈时的信号图,(4—2)为 在传输过程中接上共模扼流圈的信号图,由这两图比 较可得到:噪声信号已经被抑制到20%以下,实现了 系统的要求. 冈4-1未接共模扼流罔 ? 嬲 Time(seconds) 4-2接人了共模扼流圈 这里应当注意,这是在忽略电缆的电阻情况下得 出的值,而实际情况是电缆的电阻值并不能忽略不 计,此时R&的值会变大,相应的f的值也会变大,也 就是说共模扼流圈对噪声的最低抑制频率会相应的 提高,电缆传输的距离越长R&电阻会越大,此时的共 模扼流圈对噪声的抑制能力也就越差,要想提高共模 扼流圈的抑制能力就要增加RJL的比值(R&的值为 共模扼流圈的电阻和电缆的电阻之和),当共模扼流 圈的电阻R和电感L同比例增大时,R的值是不 断变大的,因此需要采用大一些的磁性材料骨架多缠 绕一些排线即可达到较好的抗干扰效果的目的.本文 在试验中逐渐增大电感值最后L=0.1H,R=1.512时(此 时用的骨架为65mm磁性材料),试验发现,这时候对 几百米电缆的传输距离的抗干扰效果已经十分明显, 噪声已经基本上觉察不到,达到了预期的效果.因此 我们就将这时候的数据作为我们的最终产品参数.这 时候的抗干扰最好效果可以将50HZ的行频干扰抑制 到5%左右.对于远距离传输时,也能起到很明显的噪 声抑制能力(20%以下).当然对于较高频率的抗干扰 能力则更高(随着频率的提高等比例提高). 4结束语 实践证明.这是一种体积小,成本低,效果显着的 共模扼流圈,采用改进的共模扼流圈隔离视频信号,有 效地抑制因地电位差引起的黑纹滚动干扰,有效地抑 制因电源相位引起的高频网纹干扰,亦可抑制线缆绝 缘不够引起的高频脉冲干扰.试验结果实现了预期效 果.达到了很好的抗干扰效果. 本论文的创新点为:改进了传统的关于视频共模 扼流圈的制作方法.并且在实际应用中来实践该做法 的实用性和可靠性. 参考文献: 『11王培清,李迪.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].北京:电 子工业出版社,2003 『21杨继深.共模干扰和差模干扰安全与电磁兼容[M】_jE京:电子 工业出版社2002 [3】过璧君.磁芯设计及应用[M】.成都:电了科技大学出版社,2000 『4】山崎弘郎(日).电子电路的抗干扰技术[M】.北京:科学出版社, 1989. f5]李友文,李忠明.智能式局部放电测试系统『J1.微计算机信息, 2003,6:58—59 作者简介:崔世耀(1980一),男(汉族),山东青岛人,中 国海洋大学2003级硕士研究生.专业:通信与信息系 统,主要研究方向:语音信号的处理E—mail: csy一830@163.com;~建设(1966一),男(汉族),湖北黄冈 人,副教授,主要研究方向:计算机网络通信. (266071山东青岛中国海洋大学信息学院电子工程 系)崔世耀熊建设宋柱芹王永进 (DepartmentofElectronicsandEngineering,OceanUniversi- lyofChina,Qingdao, Shandong,China266071)Cui,ShiYaoXiongJianSheSong, ZhuQinWang,Yongjin 通讯地址:(260071山东青岛中国海洋大学电子系03 研)崔世耀 (收稿日期:2006.2.22)(修稿日期:2006.3.17) 一 11O一360-,L/年邮局订阅号:82—946