電路中共模噪聲的產(chǎn)生和抑制機(jī)理

共模噪聲是電子電路中的一個基本概念，首先來介紹幾個名詞。

1、共模與差模電流

根據(jù)基爾霍夫定律，流入一個節(jié)點的電流總量等于流出這個節(jié)點的電流總量。很多電路圖上只畫出源發(fā)射到負(fù)載的信號線路，看不出流回信號源的回路；實際上，電流是經(jīng)過地線流回到源的，地線作為電流返回到源的低阻抗路徑。

差模電流：在一對差分信號線上，大小相同，方向相反的一對信號，一般是電路中的工作電流，對于信號線就是信號線與信號地線之間流動的電流。

共模電流：在一對差分信號線上，大小相同，方向相同的一對信號（或噪音）。在電路中，一般對地噪音一般都是以共模電流的方式傳輸?shù)?，所以又稱為共模噪聲。

2、共模電流的產(chǎn)生

共模電流既可以由設(shè)備外部的因素在電纜上產(chǎn)生，也可以由設(shè)備自身的因素在電纜上產(chǎn)生；在高頻開關(guān)電源設(shè)計中，廣泛利用共模電感產(chǎn)生共模電流，來供給初級變壓器。

外部因素：外部導(dǎo)致共模電流產(chǎn)生的主要因素是地線噪聲電壓和電磁場，次要原因則包括電磁波、雷電等空間干擾在電纜上感應(yīng)出的共模電壓感應(yīng)出的共模電流。

地線噪聲電壓：電流總是沿著阻抗最低的線路流動，理想情況下地線是電流返回源的阻抗最低路徑，然而實際的情況是，地線作為導(dǎo)線依然存在著阻抗，電流并不總是一定按照地線返回。特別是對于某些頻率高的電流，因為雜散電容的存在，電流通過這一耦合通道流回源，而與地線上的電壓形成了一個共模電流的驅(qū)動源。

電磁場：兩根導(dǎo)線上感應(yīng)出的共模電壓是相同的，但由于兩個導(dǎo)線對地的阻抗不同，使得產(chǎn)生的共模電流不同，導(dǎo)致差模電壓產(chǎn)生，從而對原有的差模信號造成干擾。設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)電磁輻射的一個重要原因是共模電流，而共模電流來自于設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的共模電壓，來源主要是以下幾種：

工作的信號電壓：因為電路周圍導(dǎo)體存在雜散電容，電壓通過雜散電容產(chǎn)生電流，大小取決于電壓的幅度和回路阻抗的大??；

線路板的地線噪聲：線路板上的地線作為信號回流線，總是會存在電壓噪聲，當(dāng)有線纜連接到電路板上時就產(chǎn)生了共模電流；

設(shè)備內(nèi)部的電磁耦合：當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的電路產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場，處于這個電磁場中的導(dǎo)體都會感應(yīng)出電壓，而這個電壓就會產(chǎn)生電流，從而對線路造成影響；

開關(guān)器件上的脈沖電壓：主要是開關(guān)電源、逆變器等部件中的IGBT等器件，這些期間上具有較高的脈沖電壓，其中含有大量高頻成分，通過空間雜散電容在線路中形成共模電流。

3、共模電流的抑制

為了減小電路的電磁干擾，需要對共模電流進(jìn)行抑制，常見的抑制方法可分為以下幾類：

減小地線阻抗：地線上更小的阻抗意味著更低的噪聲電壓，高頻下線路阻抗與長度的關(guān)系更密切，因此減小地線阻抗需要縮短地線長度。另外還可以采用多層線路板，其中一層專門作為地線，也是為了便于接地；

更好的接地：對于較低頻線路，使用單點接地的方式，減小電路的面積，從而減少電路所包圍的磁通量，減少電磁感應(yīng)；對于高速線路則采用多點接地，所有電路就近連接到地，保持地線最短以減小地線上的阻抗；

將兩個電路隔離：有時因為安全的目地，設(shè)備必須接地，單點接地不可能。這時可以使用隔離變壓器或光耦隔離器來連接兩臺設(shè)備，切斷兩個設(shè)備之間的電氣連接，差模信號通過磁場或光傳送，同時切斷地線產(chǎn)生的共模干擾；

強(qiáng)干擾電路遠(yuǎn)離 I/O 端口：高速數(shù)字脈沖電路、時鐘電路、振蕩器電路等在工作時會產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾，這些電路要盡量遠(yuǎn)離I/O接口電路，防止干擾耦合到I/O電纜上。

使用旁路電容：有時為了抑制線路中的高頻共模成分造成的輻射，會在線路中增加旁路電容作為高頻噪聲流入地的通道。但由于加入電容，使得共?；芈返淖杩箿p小，會增大線路中感應(yīng)出的共模電流，進(jìn)而增大負(fù)載上的共模電壓；

使用共模扼流器：當(dāng)無法對地線等部分進(jìn)行修改，或者旁路電容使線路的共模抗干擾能力受影響時，可以在線路中串聯(lián)共模扼流器件。這樣做的目地是增大共模回路的阻抗，使得共模電流被扼流器所消耗，從而抑制線路中的共模噪聲，這在各種電子設(shè)備的電源插頭線上很常見。

共模扼流器的原理：

以共模磁環(huán)為例。在一鐵氧體磁環(huán)上繞上同向的一對線圈，當(dāng)交變電流通過時，因為電磁感應(yīng)而在線圈中產(chǎn)生磁通量。對于差模信號，產(chǎn)生的磁通量大小相同方向相反，兩者相互抵消，因而磁環(huán)產(chǎn)生的差模阻抗非常?。欢材Ｐ盘柈a(chǎn)生的磁通量大小方向均相同，兩者相互疊加從而使磁環(huán)產(chǎn)生了較大的共模阻抗。這一特性使得共模扼流器對于差模信號的影響較小而對共模噪聲具有很好的濾波性能。

針對一些數(shù)據(jù)傳輸接口，例如 USB2.0及以上的接口，其傳輸速率很高，此時信號和噪音的頻率差別不大。在這種情況下若使用磁珠濾波，雖然濾除了噪音，但是也削弱了有用信號，而使用共模扼流器則能夠?qū)Σ钅Ｐ盘柵c共模噪聲進(jìn)行分別，濾除噪音保留信號。

審核編輯：郭婷