抑制共模、差模信號(hào)的噪音方法

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(wú)屏蔽對(duì)絞電纜線(xiàn)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(wú)屏蔽對(duì)絞電纜線(xiàn)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(jiǎn)單的兩線(xiàn)電纜,在它的終端接有負(fù)載阻抗。每一線(xiàn)對(duì)地的電壓用符號(hào)V1和V2來(lái)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。
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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(chēng)的,所以地線(xiàn)上沒(méi)有電流流過(guò)。所有的差模
電流（IDIFF）全流過(guò)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(wú)線(xiàn)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,
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其波形如圖4所示。
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因?yàn)樵谪?fù)載兩端沒(méi)有電位差,所以沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載。所有的共模電流都通過(guò)電纜和地之間的寄生電容流向地線(xiàn)。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(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)中的EMC
??? 在對(duì)絞電纜線(xiàn)中的每一根導(dǎo)線(xiàn)是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過(guò)每根導(dǎo)線(xiàn)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)受螺旋形的制約。流過(guò)對(duì)絞線(xiàn)中每一根導(dǎo)線(xiàn)的電流方向,決定每對(duì)導(dǎo)線(xiàn)發(fā)射噪音的程度。在每對(duì)導(dǎo)線(xiàn)上流過(guò)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(xiàn)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(xiàn)上的電流是以相反方向在一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)上傳送。如果這一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)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(chǎng),使它的輸出互相抵消。在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)系統(tǒng)中的差模信號(hào)如圖5所示。
在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)中,不含噪音的差模信號(hào)不產(chǎn)生射頻干擾。
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3.2 對(duì)絞線(xiàn)中的共模信號(hào)
??? 共模電流ICOM在兩根導(dǎo)線(xiàn)上以相同方向流動(dòng),并經(jīng)過(guò)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(chǎng),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(xiàn)的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng),它的作用正如天線(xiàn)一樣。
在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)中,共模信號(hào)產(chǎn)生射頻干擾。
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3.3 電纜線(xiàn)上產(chǎn)生的共模、差模噪音及其EMC
電子設(shè)備中電纜線(xiàn)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(lèi)。這兩大類(lèi)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(xiàn)和電源線(xiàn)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(lái)減小高頻的噪音,如圖8所示。
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??? 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(chǎng)強(qiáng)度與電纜到觀測(cè)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)或電源線(xiàn)中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)的零線(xiàn)和火線(xiàn)（或回流線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)）同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的,它對(duì)線(xiàn)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(xiàn)與地之間流過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度與電纜到觀測(cè)點(diǎn)的距離成反比,（當(dāng)電纜長(zhǎng)度比電流的波長(zhǎng)短時(shí)）與頻率和電纜的長(zhǎng)度成正比。減小這種輻射的方法有：通過(guò)在線(xiàn)路板上使用地線(xiàn)面來(lái)降低地線(xiàn)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(zhǎng)度和使用屏蔽電纜也能減小輻射。
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在有些電路中也可接入圖11所示的抗干擾變壓器來(lái)防止差模和共模噪音。
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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(chǎng)。
??? 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(jiàn)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(mǎn)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(guò)變壓器的通道,其阻抗是由電容量的大小和信號(hào)頻率來(lái)決定的。
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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(guò)共模扼流圈的繞阻,建立大小相等,極性相反的磁場(chǎng),它能使輸出相互抵消,見(jiàn)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(guò)共模扼流圈。
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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(guò)共模扼流圈繞組的每一邊,見(jiàn)圖14,它建立大小相等相位相同的相加磁場(chǎng)。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(guò)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。
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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(jiàn)圖15。這就意味差模電流在其中所形成的磁場(chǎng),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(méi)有影響。
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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(jiàn)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(chǎng),這一磁場(chǎng)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。
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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(xiàn)上想辦法來(lái)減小電磁干擾或在機(jī)箱上增加屏蔽、采用有中心線(xiàn)的共模扼流圈等方法來(lái)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(lái)的方法稱(chēng)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(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽的方法是不同的。
??? 電場(chǎng)屏蔽是用導(dǎo)體將噪音源包圍起來(lái),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(chǎng)屏蔽主要用來(lái)屏蔽低頻磁場(chǎng)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(wàn)安培的電流通過(guò),在爐周?chē)a(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng),這個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)使控制系統(tǒng)中的磁敏器件失靈。最常見(jiàn)的磁敏器件是彩色CRT顯示器,在磁場(chǎng)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(wú)法使用。低頻磁場(chǎng)往往隨距離的增加而衰減很快,因此在很多場(chǎng)合,將磁敏器件遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源是減小磁場(chǎng)干擾的十分有效的措施。但當(dāng)空間的限制而無(wú)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(chǎng)屏蔽與射頻磁場(chǎng)屏蔽是完全不同的,射頻磁場(chǎng)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(lái),就可以了。但這些材料對(duì)低頻磁場(chǎng)沒(méi)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(chǎng)或低頻磁場(chǎng)。
??? 根據(jù)電磁屏蔽的基本原理,低頻磁場(chǎng)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(chǎng),要通過(guò)使用高導(dǎo)磁率材料為磁場(chǎng)提供一條磁阻很低的旁路來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽,這樣空間的磁場(chǎng)便會(huì)集中在屏蔽材料中,從而使磁敏器件免受磁場(chǎng)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(guò)機(jī)械加工（如折彎、焊接、敲擊、鉆孔等）后,必須經(jīng)過(guò)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(chǎng)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?chǎng)衰減到很低的程度。
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(guò)高的時(shí)鐘頻率。印制板上的總線(xiàn)、較大的環(huán)路面積和較長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn),從而減小輻射。在選用集成電路時(shí),也有些問(wèn)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(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)分離。信號(hào)通道必須遠(yuǎn)離輸入輸出線(xiàn)以防止數(shù)字線(xiàn)上開(kāi)關(guān)噪音輻射到信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)。元器件相互之間成90°放置,磁場(chǎng)相互抵消并減小噪音輻射。開(kāi)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(xiàn)也是主要的輻射源。走線(xiàn)產(chǎn)生輻射主要是由于邏輯電路中電流的突變,在走線(xiàn)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(xiàn)起著發(fā)射天線(xiàn)的作用,因此走線(xiàn)的長(zhǎng)度越長(zhǎng),輻射的噪音越多。短的走線(xiàn)比長(zhǎng)的走線(xiàn)輻射少。粗的走線(xiàn)比細(xì)的走線(xiàn)噪音輻射少。所以使走線(xiàn)盡可能地短,從而把走線(xiàn)的自感減到最小是很必要的。
7.4 采用有中心線(xiàn)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(xiàn)的共模扼流圈,如圖17所示。
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??? 共模扼流圈的耦合電容對(duì)中心線(xiàn)的每一邊是對(duì)稱(chēng)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(xiàn)見(jiàn)圖18。
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