村田 | 導體傳導和共模 - 噪聲的導體傳導

5-2-5. 靜噪濾波器的結構

(1) 通過電容器和電感器組成低通濾波器

一般而言，使用電容器(C)和電感器(L)在作為噪聲傳輸路徑的電纜的中間及連接點組成一個低通濾波器，以便阻止噪聲傳導。第6章將詳細介紹低通濾波器，因此本章只是解釋基本濾波器結構。

(2) 普通模式用濾波器如圖5-2-8所示，可在線路中加入一個電容器并串聯阻抗元件（扼流線圈或鐵氧體磁珠等）組成普通模式用濾波器。

圖5-2-8普通模式用濾波器結構的示例

普通模式噪聲電流的方向與電路運行中電流的方向一致。因此，通過濾波器消除噪聲時，也會同時消除電路運行所需的一些成分。通過調整L和C的值，使低通濾波器的截止頻率不會消除電路運行所必須的成分，買元器件現貨上唯樣商城。

此外，如圖5-2-8所示，如何使用阻抗元件隨著電路和電纜情況而變化。如果所有線路都像商用電源線一樣以接地為參照漂浮布置，電路會被視為平衡電路，兩條線路都會使用阻抗元件。為此，需要保持平衡，使阻抗相同。如果一側接地，例如在數字電路中，電路會被視為不平衡電路，通常接地不會使用阻抗元件。但是，如果接地感應到噪聲（也就是說感應到共模噪聲），也可在接地側使用阻抗元件。

在此，“平衡”和“不平衡”指的是在傳導普通模式時如何參照地線保持電壓。如果電壓平衡地施加于兩條線路，則可以稱之為平衡; 如果電壓集中在一條線路上，則稱之為不平衡。不平衡電路的另外一條線路是接地線，幾乎不承受任何電壓。

(3) 共模用濾波器

如圖5-2-9所示，將電容器連接到接地（稱為Y電容器），組成一個共模用濾波器。應當盡可能地使用共模扼流線圈作為阻抗元件。

圖5-2-9 共模用濾波器的基本結構

如果電纜中有很多導線，可以將電纜繞在鐵氧體磁芯上或者將電纜夾在鐵氧體磁心中，形成一種共模扼流線圈，如圖5-2-10所示。

圖5-2-10 使用鐵氧體磁芯的共模扼流線圈

共模扼流線圈將在下一章中詳細介紹。

產生共模噪聲時，噪聲可能會出現在與Y電容器相連的接地上。這時，Y電容器的效果減弱，因為Y電容器沒有連接到合適的接地。

在這種情況下，需要單獨構建與Y電容器相連的接地點。如圖所示，接地的線路用于構成噪聲源噪聲的返回路徑。

(4)適用于共模和普通模式的濾波器

商用電源線使用的靜噪濾波器通常針對共模和普通模式的混合噪聲提供措施，因而包括可以處理兩種模式的濾波器。

圖5-2-11所示為典型的電路結構[參考文獻 4]。此例展示了作為阻抗元件的共模扼流線圈。

但是，如果普通模式噪聲很強，阻抗可能會不足，因此在使用濾波器時，可以針對普通模式增加一個扼流線圈。

圖5-2-11 用于消除共模和普通模式的濾波器結構

5-2-6. 濾波器靜噪的示例

(1) 通過商用電源線傳導的噪聲

盡管圖5-2-1給出了測量電子設備接口電纜所發(fā)射噪聲的示例，但是相對較低頻率范圍內的噪聲傳導卻成為電子設備電源線面臨的一個問題。在電源線中，共模和普通模式也是問題所在。

開關電源是發(fā)射噪聲到電源線的典型噪聲源之一。圖5-2-12給出了測量開關電源噪聲的示例。

圖5-2-12測量開關電源噪聲的示例

交流電源線上的噪聲測量使用了一種探針，用于測量如圖5-2-12(a)所示電源線上的LISN（Line Impedance Stabilizing Network: 線路阻抗穩(wěn)定網絡）噪聲，并測量通過電源線傳導的噪聲。此處，在去除內置于開關電源靜噪濾波器的情況下進行測試。測量的頻率范圍為150kHz到30MHz，使用了頻譜分析儀測量峰值。

如圖5-2-12(b)的測量結果所示，在150kHz的整數倍處觀察到了強烈的噪聲; 150kHz是開關電源的開關頻率。因為圖表中的頻率軸為對數，在超過1MHz的高頻率范圍內噪聲間隔似乎更小。但是，仔細觀察就會發(fā)現，這個范圍內的間隔也是150kHz。

(2) 噪聲模式的分離

圖5-2-12中所示的測量結果表示了每條線路到接地的電壓。盡管測量結果顯示為Va和Vb，但在兩條線路上觀察到了幾乎相同電平的噪聲。這就是觀察共模和普通模式的混合。通常噪聲規(guī)定會設定一個電壓限值。

如果您使用特定的LISN（如支持CISPR 16的LISN），可以分別觀察到噪聲中的共模和普通模式。圖5-2-13顯示了從圖5-2-12的測量結果中分離出來的結果。在圖中，Sym（對稱）表示普通模式，而Asym（不對稱）表示共模。

圖5-2-13分離共模和普通模式進行測量的示例

圖5-2-13的測量結果表明，普通模式在開關電源的較低頻率范圍內更強，而共模在較高頻率范圍內更強。這種趨勢在開關電源中很常見。

(3) 驗證靜噪濾波器的效果

圖5-2-14展示了驗證圖5-2-11所示靜噪濾波器的各個遠件對于圖5-2-13所示開關電源噪聲的效果如何的結果。

圖5-2-14 觀察不同噪聲濾波器的效果

圖5-2-14(a)給出了連接圖5-2-11所示所有組件時的測量結果。相比圖5-2-13(b)中未使用這些元件時的測量結果，噪聲得到了很好地抑制。

圖5-2-14(b)到(d)顯示了逐個減去圖5-2-11所示靜噪濾波器元件時的結果。可以得知，X電容器主要對普通模式有效，Y電容器主要對共模有效，而共模扼流線圈對兩種模式都有效。因此，可以確定，對于消除本示例中所示普通模式和共模的混合噪聲，這三個元件都是不可或缺的。

(4) 在完全消除噪聲后減去某元件可輕易看出其效果

一般而言，即使逐個連接每個元件，也很難成功地觀察到噪聲抑制的效果，因為微弱噪聲的任何改變都被強烈噪聲所掩蓋。因此，首先創(chuàng)建如圖5-2-14(a)所示的噪聲抑制狀態(tài)，然后逐個減去各個元件，以便驗證每個元件的效果，從而輕易判定每個元件的作用和必要性。這種方法不僅適用于檢查傳導的噪聲，而且也適用于針對發(fā)射的噪聲采取措施時驗證各元件的有效性。

盡管可能出乎您的意料，但共模扼流線圈也在消除圖5-2-14(c)普通模式中發(fā)揮了作用。這是因為共模扼流線圈包括了針對普通模式的較小電感。電源使用共模扼流線圈時，較小的電感有時會以這種方式對普通模式產生影響。共模扼流線圈解釋中將介紹進一步的詳細信息。

5-2-7. 差分信號的共模噪聲

(1) 差分信號的傳輸

近年來，差分信號更加普遍地用于高速數字傳輸，如USB等。差分信號包含共模噪聲，但與之前所解釋的稍有差別。

差分信號向1對線路的每條線路施加一個反相信號（如圖5-2-15所示），接收器側通過線路電壓接收信號。如果這兩個電流相互對稱，電流成分只是普通模式，因此根據圖5-2-5所示的機制會導致較小的噪聲。

圖5-2-15 差分信號的信號波形

此外，如果從外側接收到噪聲感應，則不太可能受到影響。后文將會講到，這是因為從外側感應到電纜的噪聲為共模，不會導致接收器的線路之間存在任何電壓。

(2) 差分信號中產生的共模噪聲

但是，如果兩條線路所傳輸信號有輕微的不平衡，則不平衡的成分會轉變?yōu)楣材！?/p>

如圖5-2-16所示，導致不平衡的因素包括:

上升或下降的時間偏差

上升和下降的速度偏差

電壓或電流的大小偏差

疊加的共模噪聲

圖5-2-16 導致共模的因素

您可能會說(a)到(c)是形成信號波形時出現的問題而不是噪聲問題（稱為信號完整性: SI）。除了驅動器，接收器的IC原因以外，還可能是因為導線長度的差別，導線彎曲或者終端電阻器阻抗的差別導致信號波形產生不平衡。如上所述，觀察到因信號波形不平衡導致的共模噪聲，其形式為噪聲頻譜中信號頻率的諧波。

(d)常出現于外部噪聲施加到驅動器，接收器的電源及接地時。盡管噪聲可能看似信號諧波，但卻會在與信號頻率完全不相關的頻率處產生。

如果這些成分通過電纜傳導，共模電流流過，則會成為噪聲發(fā)射的原因。

(3) 如何抑制差分信號中的噪聲

如圖5-2-17所示，共模扼流線圈用于阻止這樣的共模電流，并抑制圖5-2-16(a)到(c)中信號波形的不平衡。通常用在驅動器側。但是，如果噪聲在接收器側產生，也可用在接收器側。

此處使用的共模扼流線圈要選擇能輕微衰減差模的元件，使其不會給差分信號造成負面影響。

除了共模扼流線圈，也使用屏蔽電纜來抑制差分信號中的噪聲。信號對區(qū)域可使用兩根同軸電纜。

對于圖5-2-16(d)中的噪聲，信號對區(qū)域也可使用共模扼流線圈或屏蔽。但是，如圖5-2-17所示針對驅動器或接收器IC的電源使用EMI靜噪濾波器更加有效。

圖5-2-17 針對差分信號使用共模扼流線圈

5-2-8. 噪聲接收和模式轉換

(1) 噪聲在被電纜接收時變成共模

當前面講述了電纜發(fā)射噪聲的情況。與此相反，當電纜接收噪聲時，一般意味著電纜內的導線在共模下感應到了噪聲，如圖5-2-18。

圖5-2-18噪聲感應到電纜

如果是共模，線路電壓為零; 如果信號如圖所示被線路電壓接收，則電路可以正常運行。因此，即使電纜接收了噪聲，只要接收器通過電壓運行，就不會造成噪聲干擾。

(2) 噪聲模式的轉換

但是，在現實世界中，當噪聲進入電纜時，會產生各種干擾。以前的一個例子是，無線電波進入電話線導致無線電廣播干擾電話聲音。為什么會出現這種干擾？

在很多情況下，共模在電纜到電路的連接點處轉換為普通模式。如果每條線路(Z1)的阻抗與地線(Z2)的阻抗存在差異（圖5-2-19(a)），就會造成接收器所接收共模電壓的差異，進而導致線路之間的噪聲電壓。在這種情況下，可以說共模被部分轉換為普通模式 [參考文獻 1]。

圖5-2-19共模轉換為普通模式

(3) 不平衡終端阻抗導致模式轉換

Z1和Z2并不意味著這些元件實際存在，它們僅表示浮動靜電容量等形成的阻抗。因此，如果這些位置連接了終端電阻器，且其阻抗已經提前調整為一致，則可能會減少普通模式的轉換。

如圖5-2-19(b)所示，如果信號被一側已接地的電路接收，一半的噪聲將會轉換為普通模式。這就意味著噪聲可輕易進入不平衡的接收器電路，如數字電路。將電纜連接到這樣的電路時，就需要一個濾波電路；濾波電路將在后文中講述。

(4) IC內可能發(fā)生模式轉換

即使不發(fā)生到普通模式的轉換，如果共模很強大，也可在接收器IC內轉換為普通模式。IC消除共模的性能由指數CMRR（Common-Mode Rejection Ratio: 共模抑制比）來表示。

為防止轉換為普通模式，終端電阻器的值如圖所示相互匹配，以確保阻抗之間對接地不會造成任何偏差。此外，要為接收器選擇CMRR較高的IC。

(5) 防止模式轉換

當平衡電纜，如電話線、LAN電纜及電源線等連接到電路時，噪聲模式可以如圖5-2-19(b)所示輕易轉換，因為很多電子電路都是不平衡電路。若要防止這種情況，有如下兩種方法：

使用平衡-不平衡變壓器或者共模扼流線圈等提供平衡與不平衡間的轉換，以保持阻抗平衡。

通過靜噪濾波器消除產生的普通模式噪聲。

(i)是在電纜和電路間加入平衡-不平衡轉換電路的方法，如圖5-2-20(a)和(b)所示。這樣的電路用于連接通信電纜。

(ii)使用了電容器和阻抗元件（鐵氧體磁珠），如圖5-2-20(c)。盡管這只是權宜之計，但可以通過相對便宜的元件消除噪聲干擾。

圖5-2-20 防止噪聲接收的連接示例

5-2-9. 共模和普通模式的特征

(1) 普通模式噪聲的產生取決于電路運行

當電路運行時，電流在普通模式下流動。因此，電路運行自然而然地產生普通模式噪聲。例如，打開和關閉電源開關造成的浪涌，或者數字信號中包含的諧波成分，在產生后就會立即導致普通模式。

這可以理解為，當噪聲傳輸路徑中電流出現輕微不平衡時，成分以共模的形式出現。

(2) 屏蔽對共模噪聲可能無用

若要使屏蔽（特別是靜電屏蔽）發(fā)揮作用，就需要連接到接地。但是，如果產生共模噪聲，噪聲通常也會越過屏蔽的接地。因此，共模電流也會流經屏蔽并從作為天線的屏蔽發(fā)射噪聲。

前已述及，將屏蔽連接到傳導共模的接地無法屏蔽噪聲。若要使屏蔽發(fā)揮作用，首先就需要搭建可靠的接地。這就是非常難以抑制共模噪聲的原因。

(3) 如何屏蔽共模噪聲若要搭建使屏蔽發(fā)揮作用的可靠接地，就要建立起屏蔽罩將噪聲源和浮動靜電容量圍?。▓D5-2-21），然后屏蔽罩本身作為接地。（這被稱為“法拉第籠”）

這時，共模電流的回流路徑經過屏蔽而不是大地。在這種狀態(tài)下，可以認為共模噪聲已經被消除了。這是因為觀察整個電纜（包括屏蔽）時，總電流變?yōu)榱恪?/p>

盡管這種屏蔽結構是理想的，但一般會規(guī)模較大且價格不菲。

圖5-2-21 可以消除共模的屏蔽結構示例

(4) 共模連接到哪里？

關于圖5-2-3(b)中共模噪聲源或浮動靜電容量的連接點，不必在電路內布置一個特定的連接點。但是，因為接地通常是電路中超大部分且會成為電壓基準點，可以考慮將其連接至接地。

因此，在接地對大地有電壓的狀態(tài)下，可以說共模噪聲被感應了。

(5) 觀察共模和普通模式

通過使用能夠抓牢整個電纜的電流探針，可以確定共模噪聲是否在電纜中流動。普通模式電流不會造成電流探針有任何輸出。

相反，共模噪聲的線路電壓始終為零。因此，使用差動探針測量線路電壓時，探針通過排除共模測量普通模式電壓。

5-2.”噪聲的導體傳導“的重點內容

√ 噪聲傳導有兩種類型: 普通模式和共模。

√普通模式也用于電路運行，噪聲發(fā)射相對較小。

√電流從電路泄漏產生共模，導致很強的噪聲發(fā)射。

√應當限制共模轉換為普通模式以減少噪聲接收。

審核編輯黃昊宇