共模、差模信號(hào)的關(guān)鍵特性和噪音的抑制方法

1、引言

了解共模和差模信號(hào)之間的差別,對(duì)正確理解脈沖磁路和工作模塊之間的關(guān)系是至關(guān)重要的。變壓器、共模扼流圈和自耦變壓器的端接法,對(duì)在局域網(wǎng)（LAN）和通信接口電路中減小共模干擾起關(guān)鍵作用。共模噪音在用無屏蔽對(duì)絞電纜線的通信系統(tǒng)中,是引起射頻干擾的主要因素,所以了解共模噪音將有利于更好地了解我們關(guān)心的磁性界面的電磁兼容論點(diǎn)。本文的主要目的是闡述差模和共模信號(hào)的關(guān)鍵特性和共模扼流圈、自耦變壓器端接法主要用途,以及為什么共模信號(hào)在無屏蔽對(duì)絞電纜線上會(huì)引起噪音發(fā)射。在介紹這些信號(hào)特點(diǎn)的同時(shí),還介紹了抑制一般噪音常用的方法。

2、差模和共模信號(hào)

我們研究簡單的兩線電纜,在它的終端接有負(fù)載阻抗。每一線對(duì)地的電壓用符號(hào)V1和V2來表示。差模信號(hào)分量是VDIFF,共模信號(hào)分量是VCOM,電纜和地之間存在的寄生電容是Cp。其電路如圖1所示,其波形如圖2所示。

2.1 差模信號(hào)

純差模信號(hào)是：V1=-V2 （1）

大小相等,相位差是180°

VDIFF=V1－V2 （2）

因?yàn)閂1和V2對(duì)地是對(duì)稱的,所以地線上沒有電流流過。所有的差模

電流（IDIFF）全流過負(fù)載。在以電纜傳輸信號(hào)時(shí),差模信號(hào)是作為攜帶信息“想要”的信號(hào)。局域網(wǎng)（LAN）和通信中應(yīng)用的無線收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)中安裝的都是差模器件。兩個(gè)電壓（V1＋V2）瞬時(shí)值之和總是等于零。

2.2 共模信號(hào)

純共模信號(hào)是：

V1=V2=VCOM （3）

大小相等,相位差為0°

V3=0 （4）

共模信號(hào)的電路如圖3所示,

其波形如圖4所示。

因?yàn)樵谪?fù)載兩端沒有電位差,所以沒有電流流過負(fù)載。所有的共模電流都通過電纜和地之間的寄生電容流向地線。在以電纜傳輸信號(hào)時(shí),因?yàn)楣材Ｐ盘?hào)不攜帶信息,所以它是“不想要”的信號(hào)。

兩個(gè)電壓瞬時(shí)值之和（V1＋V2）不等于零。相對(duì)于地而言,每一電纜上都有變化的電位差。這變化的電位差就會(huì)從電纜上發(fā)射電磁波。

3、差模和共模信號(hào)及其在無屏蔽對(duì)絞線中的EMC

在對(duì)絞電纜線中的每一根導(dǎo)線是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過每根導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場受螺旋形的制約。流過對(duì)絞線中每一根導(dǎo)線的電流方向,決定每對(duì)導(dǎo)線發(fā)射噪音的程度。在每對(duì)導(dǎo)線上流過差模和共模電流所引起的發(fā)射程度是不同的,差模電流引起的噪音發(fā)射是較小的,所以噪音主要是由共模電流決定。

3.1 對(duì)絞線中的差模信號(hào)

對(duì)純差模信號(hào)而言,它在每一根導(dǎo)線上的電流是以相反方向在一對(duì)導(dǎo)線上傳送。如果這一對(duì)導(dǎo)線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會(huì)產(chǎn)生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。在無屏蔽對(duì)絞線系統(tǒng)中的差模信號(hào)如圖5所示。

在無屏蔽對(duì)絞線中,不含噪音的差模信號(hào)不產(chǎn)生射頻干擾。

3.2 對(duì)絞線中的共模信號(hào)

共模電流ICOM在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動(dòng),并經(jīng)過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下,電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場,它們的輸出不能相互抵消。如圖6所示,共模電流在對(duì)絞線的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場,它的作用正如天線一樣。

在無屏蔽對(duì)絞線中,共模信號(hào)產(chǎn)生射頻干擾。

3.3 電纜線上產(chǎn)生的共模、差模噪音及其EMC

電子設(shè)備中電纜線上的噪音有從電源電纜和信號(hào)電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種[1]。差模傳導(dǎo)噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)生的與信號(hào)電流或電源電流相同路徑的噪音電流,如圖7所示。減小這種噪音的方法是在信號(hào)線和電源線上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容或用電容和電感組成低通濾波器,來減小高頻的噪音,如圖8所示。

差模輻射噪音是圖7電纜中的信號(hào)電流環(huán)路所產(chǎn)生的輻射。這種噪音產(chǎn)生的電場強(qiáng)度與電纜到觀測點(diǎn)的距離成反比,與頻率的平方成正比,與電流和電流環(huán)路的面積成正比。因此,減小這種輻射的方法是在信號(hào)輸入端加LC低通濾波器阻止噪音電流流進(jìn)電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜,在相鄰的導(dǎo)線中傳輸回流電流和信號(hào)電流,使環(huán)路面積減小。

共模傳導(dǎo)噪音是在設(shè)備內(nèi)噪音電壓的驅(qū)動(dòng)下,經(jīng)過大地與設(shè)備之間的寄生電容,在大地與電纜之間流動(dòng)的噪音電流產(chǎn)生的,如圖9所示。減小共模傳導(dǎo)噪音的方法是在信號(hào)線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進(jìn)行濾波,濾去共模傳導(dǎo)噪聲。其電路如圖10所示。共模扼流圈是將電源線的零線和火線（或回流線和信號(hào)線）同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的,它對(duì)線間流動(dòng)的差模信號(hào)電流和電源電流阻抗很小,而對(duì)兩根導(dǎo)線與地之間流過的共模電流阻抗則很大。共模輻射噪音是由于電纜端口上有共模電壓,在其驅(qū)動(dòng)下,從大地到電纜之間有共模電流流動(dòng)而產(chǎn)生的。輻射的電場強(qiáng)度與電纜到觀測點(diǎn)的距離成反比,（當(dāng)電纜長度比電流的波長短時(shí)）與頻率和電纜的長度成正比。減小這種輻射的方法有：通過在線路板上使用地線面來降低地線阻抗,在電纜的端口處使用LC低通濾波器或共模扼流圈。另外,盡量縮短電纜的長度和使用屏蔽電纜也能減小輻射。

在有些電路中也可接入圖11所示的抗干擾變壓器來防止差模和共模噪音。

4、變壓器與噪音傳導(dǎo)

理想變壓器理論上是完美的電路元件,它能用完美的磁耦合在初級(jí)和次級(jí)繞組之間傳送電能。理想變壓器只能傳送交變的差模電流。它不能傳送共模電流,因?yàn)楣材ｋ娏髟谧儔浩骼@組兩端的電位差為零,不能在變壓器繞組上產(chǎn)生磁場。

實(shí)際變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組之間有一個(gè)很小但不等于零的耦合電容CWW,見圖12。這個(gè)電容是繞組之間存在非電介質(zhì)和物理間隙所產(chǎn)生的。增加繞組之間的空隙和用低介電常數(shù)的材料填滿繞組之間的空間就能減小繞組之間電容的數(shù)值。電容Cww為共模電流提供一條穿過變壓器的通道,其阻抗是由電容量的大小和信號(hào)頻率來決定的。

5、共模扼流圈

對(duì)于理想的單磁芯、雙繞組的共模扼流圈,將不考慮在實(shí)際扼流圈中或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設(shè)是合理的,因?yàn)橐粋€(gè)好的扼流圈設(shè)計(jì),它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負(fù)載阻抗相比是可以忽略的。

5.1 理想共模扼流圈對(duì)差模信號(hào)的效應(yīng)

差模電流以相反的方向流過共模扼流圈的繞阻,建立大小相等,極性相反的磁場,它能使輸出相互抵消,見圖13。這就使共模扼流圈對(duì)差模信號(hào)的阻抗為零。差模信號(hào)能不受阻地通過共模扼流圈。

5.2 理想共模扼流圈對(duì)共模信號(hào)的效應(yīng)

共模電流以相同的方向流過共模扼流圈繞組的每一邊,見圖14,它建立大小相等相位相同的相加磁場。這一結(jié)果就使共模扼流圈對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗,使通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。實(shí)際減弱量（或共模抑制量）取決于共模扼流圈阻抗和負(fù)載阻抗大小之比。

6、有中心抽頭的自耦變壓器

自耦變壓器是以定向電流傳遞方式實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)摹?duì)于理想的自耦變壓器[2],不考慮實(shí)際或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設(shè)是合理的,因?yàn)橐粋€(gè)好的自耦變壓器設(shè)計(jì),它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負(fù)載阻抗相比是可以忽略的。

6.1 理想自耦變壓器對(duì)差模信號(hào)的效應(yīng)

從差模信號(hào)看,有中心抽頭的自耦變壓器是兩個(gè)在相位上相同的對(duì)分繞組,見圖15。這就意味差模電流在其中所形成的磁場,會(huì)使其對(duì)差模電流呈現(xiàn)高阻抗。相當(dāng)于對(duì)差模信號(hào)并聯(lián)了一個(gè)高阻值的阻抗,它對(duì)差模信號(hào)的大小沒有影響。

6.2 理想自耦變壓器對(duì)共模信號(hào)的效應(yīng)

從共模信號(hào)看,有中心抽頭的自耦變壓器是兩個(gè)在相位上相反的對(duì)分繞組,見圖16。這就意味共模電流在其中會(huì)形成大小相等相位相反的磁場,這一磁場會(huì)使共模電流的輸出互相抵消。對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)零阻抗效應(yīng),使共模信號(hào)直接短路到地。

7、減小電磁干擾的一些常用方法

通常都是在電路設(shè)計(jì)、印制板布線上想辦法來減小電磁干擾或在機(jī)箱上增加屏蔽、采用有中心線的共模扼流圈等方法來減小電磁干擾。

7.1 屏蔽

用金屬材料將機(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)生的噪音封閉起來的方法稱為屏蔽。屏蔽對(duì)防止外部噪音進(jìn)入機(jī)箱也是同樣有效的。電場屏蔽和磁場屏蔽的方法是不同的。

電場屏蔽是用導(dǎo)體將噪音源包圍起來,然后接地,就能達(dá)到屏蔽的目的。由于導(dǎo)體表面的反射損耗很大,因此很薄的材料（鋁箔、銅箔）也有很好的屏蔽效果。另外,機(jī)箱上即使有縫隙,也不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

磁場屏蔽主要用來屏蔽低頻磁場的干擾,這種干擾是由交流電流或直流電流產(chǎn)生的。例如,感應(yīng)煉鋼爐中有數(shù)萬安培的電流通過,在爐周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場,這個(gè)強(qiáng)磁場會(huì)使控制系統(tǒng)中的磁敏器件失靈。最常見的磁敏器件是彩色CRT顯示器,在磁場的作用下,顯示器屏幕上的圖象顏色會(huì)失真,圖象會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng),導(dǎo)致顯示質(zhì)量嚴(yán)重降低,甚至無法使用。低頻磁場往往隨距離的增加而衰減很快,因此在很多場合,將磁敏器件遠(yuǎn)離磁場源是減小磁場干擾的十分有效的措施。但當(dāng)空間的限制而無法采取這個(gè)方法時(shí),屏蔽也是一個(gè)十分有效的措施。要注意的是,低頻磁場屏蔽與射頻磁場屏蔽是完全不同的,射頻磁場的屏蔽使用導(dǎo)電率高的材料如鈹銅復(fù)合材料、銀、錫或鋁等材料,把它完全封閉起來,就可以了。但這些材料對(duì)低頻磁場沒有任何屏蔽作用。只有高導(dǎo)磁率的鐵磁合金才能屏蔽直流磁場或低頻磁場。

根據(jù)電磁屏蔽的基本原理,低頻磁場由于其頻率低,吸收損耗很小,趨膚效應(yīng)很小,并且由于其波阻抗很低,反射損耗也很小,因此單純靠反射和吸收很難獲得需要的屏蔽效果。對(duì)這種低頻磁場,要通過使用高導(dǎo)磁率材料為磁場提供一條磁阻很低的旁路來實(shí)現(xiàn)屏蔽,這樣空間的磁場便會(huì)集中在屏蔽材料中,從而使磁敏器件免受磁場干擾。

高導(dǎo)磁率材料在機(jī)械的沖擊下會(huì)極大地?fù)p失磁性,導(dǎo)致屏蔽效能下降。因此,屏蔽體在經(jīng)過機(jī)械加工（如折彎、焊接、敲擊、鉆孔等）后,必須經(jīng)過熱處理以恢復(fù)磁性。熱處理要在特定條件下進(jìn)行,一般要在干燥氫氣爐中以一定的速率加熱到1177℃,保持4個(gè)小時(shí),然后以一定的速率降低到室溫。

在對(duì)拼連接處進(jìn)行焊接時(shí),要使用屏蔽材料母料做焊接填充料,這樣可以保證焊縫處的高導(dǎo)磁。如果屏蔽效能要求較低,也可以采用鉚接或點(diǎn)焊的方式固定,但要注意拼接處的屏蔽材料要有一定的重疊,以保證磁路上較小的磁阻。

當(dāng)需要屏蔽的磁場很強(qiáng)時(shí),僅用單層屏蔽材料,達(dá)不到屏蔽要求。這時(shí),一種方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用組合屏蔽,將一個(gè)屏蔽體放在另一個(gè)屏蔽體內(nèi),它們之間留有氣隙。氣隙內(nèi)可以填充任何非導(dǎo)磁材料（如鋁）做支撐。組合屏蔽的屏蔽效果比單個(gè)屏蔽體高得多,因此組合屏蔽能夠?qū)⒋艌鏊p到很低的程度。

7.2 電路設(shè)計(jì)

由于時(shí)鐘頻率越高,高頻能量的發(fā)射越強(qiáng),因此在數(shù)字電路中不要使用過高的時(shí)鐘頻率。印制板上的總線、較大的環(huán)路面積和較長的導(dǎo)線都是強(qiáng)輻射源,因此,除非必要,要盡量避免這些情況的出現(xiàn)。使用大規(guī)模集成電路能夠大幅度減少印制板上的走線,從而減小輻射。在選用集成電路時(shí),也有些問題需要注意。例如,高速肖特基電路由于脈沖上升時(shí)間很短,因此會(huì)在很高的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生發(fā)射。在功能允許的條件下,盡量使用標(biāo)準(zhǔn)型電路。電路設(shè)計(jì)時(shí)要最大限度地保持?jǐn)?shù)字線和信號(hào)線分離。信號(hào)通道必須遠(yuǎn)離輸入輸出線以防止數(shù)字線上開關(guān)噪音輻射到信號(hào)線上。

7.3 印制板的設(shè)計(jì)

在印制板上合適的放置元器件與合理的安排印制板走線是很關(guān)鍵的。有些元器件,特別是磁性元件（如濾波器）在一個(gè)方向比其它方向可能有更大的磁場。元器件相互之間成90°放置,磁場相互抵消并減小噪音輻射。開關(guān)器件遠(yuǎn)離磁性元件也能減小噪音輻射。印制板上的走線也是主要的輻射源。走線產(chǎn)生輻射主要是由于邏輯電路中電流的突變,在走線的電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,這個(gè)電壓會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪音輻射。另外,由于走線起著發(fā)射天線的作用,因此走線的長度越長,輻射的噪音越多。短的走線比長的走線輻射少。粗的走線比細(xì)的走線噪音輻射少。所以使走線盡可能地短,從而把走線的自感減到最小是很必要的。

7.4 采用有中心線的共模扼流圈

減少和改善噪音的另一種方法,特別是對(duì)高頻段,是在傳輸頻道上用有中心線的共模扼流圈,如圖17所示。

共模扼流圈的耦合電容對(duì)中心線的每一邊是對(duì)稱的。變壓器的次級(jí)具有分路,這分路有助于變壓器的次級(jí)繞組的分布電容更好地控制傳輸頻道上的返回?fù)p耗。它還可以在高頻段提供一阻尼的下凹,其頻率范圍出現(xiàn)在(700～900)MHz之間,這個(gè)范圍也可以進(jìn)行控制,典型的響應(yīng)曲線見圖18。