共模和差模信號及其噪音抑制

1 引言

了解共模和差模信號之間的差別,對正確理解脈沖磁路和工作模塊之間的關系是至關重要的。變壓器、共模扼流圈和自耦變壓器的端接法,對在局域網（LAN）和通信接口電路中減小共模干擾起關鍵作用。共模噪音在用無屏蔽對絞電纜線的通信系統中,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心的磁性界面的電磁兼容論點。本文的主要目的是闡述差模和共模信號的關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在無屏蔽對絞電纜線上會引起噪音發(fā)射。在介紹這些信號特點的同時,還介紹了抑制一般噪音常用的方法。

2 差模和共模信號

我們研究簡單的兩線電纜,在它的終端接有負載阻抗。每一線對地的電壓用符號V1和V2來表示。差模信號分量是VDIFF,共模信號分量是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

純差模信號是：V1=－V2 （1）

大小相等,相位差是180°

VDIFF=V1－V2 （2）

因為V1和V2對地是對稱的,所以地線上沒有電流流過。所有的差模電流（IDIFF）全流過負載。在以電纜傳輸信號時,差模信號是作為攜帶信息“想要”的信號。局域網（LAN）和通信中應用的無線收發(fā)機的結構中安裝的都是差模器件。兩個電壓（V1＋V2）瞬時值之和總是等于零。

2．2 共模信號

純共模信號是：

V1=V2=VCOM （3）

大小相等,相位差為0°

V3=0 （4）

共模信號的電路如圖3所示,其波形如圖4所示。

因為在負載兩端沒有電位差,所以沒有電流流過負載。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。在以電纜傳輸信號時,因為共模信號不攜帶信息,所以它是“不想要”的信號。

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

3 差模和共模信號及其在無屏蔽對絞線中的EMC

在對絞電纜線中的每一根導線是以雙螺旋形結構相互纏繞著。流過每根導線的電流所產生的磁場受螺旋形的制約。流過對絞線中每一根導線的電流方向,決定每對導線發(fā)射噪音的程度。在每對導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 對絞線中的差模信號

對純差模信號而言,它在每一根導線上的電流是以相反方向在一對導線上傳送。如果這一對導線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會產生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。在無屏蔽對絞線系統中的差模信號如圖5所示。

在無屏蔽對絞線中,不含噪音的差模信號不產生射頻干擾。

3．2 對絞線中的共模信號

共模電流ICOM在兩根導線上以相同方向流動,并經過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下,電流產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,共模電流在對絞線的表面產生一個電磁場,它的作用正如天線一樣。

在無屏蔽對絞線中,共模信號產生射頻干擾。

3．3 電纜線上產生的共模、差模噪音及其EMC

電子設備中電纜線上的噪音有從電源電纜和信號電纜上產生的輻射噪音和傳導噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種。

差模傳導噪音是電子設備內部噪音電壓產生的與信號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線和電源線上串聯差模扼流圈、并聯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電纜中的信號電流環(huán)路所產生的輻射。這種噪音產生的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,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輸入端加LC低通濾波器阻止噪音電流流進電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜,在相鄰的導線中傳輸回流電流和信號電流,使環(huán)路面積減小。

共模傳導噪音是在設備內噪音電壓的驅動下,經過大地與設備之間的寄生電容,在大地與電纜之間流動的噪音電流產生的,如圖9所示。減小共模傳導噪音的方法是在信號線或電源線中串聯共模扼流圈、在地與導線之間并聯電容器、組成LC濾波器進行濾波,濾去共模傳導噪聲。其電路如圖10所示。共模扼流圈是將電源線的零線和火線（或回流線和信號線）同方向繞在鐵氧體磁芯上構成的,它對線間流動的差模信號電流和電源電流阻抗很小,而對兩根導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,在其驅動下,從大地到電纜之間有共模電流流動而產生的。輻射的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,（當電纜長度比電流的波長短時）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

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和次級繞組之間傳送電能。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,因為共模電流在變壓器繞組兩端的電位差為零,不能在變壓器繞組上產生磁場。

實際變壓器初級和次級繞組之間有一個很小但不等于零的耦合電容CWW,見圖12。這個電容是繞組之間存在非電介質和物理間隙所產生的。增加繞組之間的空隙和用低介電常數的材料填滿繞組之間的空間就能減小繞組之間電容的數值。

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頻率來決定的。

5 共模扼流圈

對于理想的單磁芯、雙繞組的共模扼流圈,將不考慮在實際扼流圈中或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設是合理的,因為一個好的扼流圈設計,它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負載阻抗相比是可以忽略的。

5．1 理想共模扼流圈對差模信號的效應

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差模信號的阻抗為零。差模信號能不受阻地通過共模扼流圈。

5．2 理想共模扼流圈對共模信號的效應

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。這一結果就使共模扼流圈對共模信號呈現高阻抗,使通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。實際減弱量（或共模抑制量）取決于共模扼流圈阻抗和負載阻抗大小之比。

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現能量傳輸的。對于理想的自耦變壓器,不考慮實際或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設是合理的,因為一個好的自耦變壓器設計,它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負載阻抗相比是可以忽略的。

6．1 理想自耦變壓器對差模信號的效應

從差模信號看,有中心抽頭的自耦變壓器是兩個在相位上相同的對分繞組,見圖15。這就意味差模電流在其中所形成的磁場,會使其對差模電流呈現高阻抗。相當于對差模信號并聯了一個高阻值的阻抗,它對差模信號的大小沒有影響。

6．2 理想自耦變壓器對共模信號的效應

從共模信號看,有中心抽頭的自耦變壓器是兩個在相位上相反的對分繞組,見圖16。這就意味共模電流在其中會形成大小相等相位相反的磁場,這一磁場會使共模電流的輸出互相抵消。對共模信號呈現零阻抗效應,使共模信號直接短路到地。

7 減小電磁干擾的一些常用方法

通常都是在電路設計、印制板布線上想辦法來減小電磁干擾或在機箱上增加屏蔽、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

用金屬材料將機箱內部產生的噪音封閉起來的方法稱為屏蔽。屏蔽對防止外部噪音進入機箱也是同樣有效的。電場屏蔽和磁場屏蔽的方法是不同的。

電場屏蔽是用導體將噪音源包圍起來,然后接地,就能達到屏蔽的目的。由于導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,機箱上即使有縫隙,也不會產生太大的影響。

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生的。例如,感應煉鋼爐中有數萬安培的電流通過,在爐周圍產生很強的磁場,這個強磁場會使控制系統中的磁敏器件失靈。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失真,圖象會產生抖動,導致顯示質量嚴重降低,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,將磁敏器件遠離磁場源是減小磁場干擾的十分有效的措施。但當空間的限制而無法采取這個方法時,屏蔽也是一個十分有效的措施。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電率高的材料如鈹銅復合材料、銀、錫或鋁等材料,把它完全封閉起來,就可以了。但這些材料對低頻磁場沒有任何屏蔽作用。只有高導磁率的鐵磁合金才能屏蔽直流磁場或低頻磁場。

根據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。對這種低頻磁場,要通過使用高導磁率材料為磁場提供一條磁阻很低的旁路來實現屏蔽,這樣空間的磁場便會集中在屏蔽材料中,從而使磁敏器件免受磁場干擾。

高導磁率材料在機械的沖擊下會極大地損失磁性,導致屏蔽效能下降。因此,屏蔽體在經過機械加工（如折彎、焊接、敲擊、鉆孔等）后,必須經過熱處理以恢復磁性。熱處理要在特定條件下進行,一般要在干燥氫氣爐中以一定的速率加熱到1177℃,保持4個小時,然后以一定的速率降低到室溫。

在對拼連接處進行焊接時,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磁。如果屏蔽效能要求較低,也可以采用鉚接或點焊的方式固定,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。

當需要屏蔽的磁場很強時,僅用單層屏蔽材料,達不到屏蔽要求。這時,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,將一個屏蔽體放在另一個屏蔽體內,它們之間留有氣隙。氣隙內可以填充任何非導磁材料（如鋁）做支撐。組合屏蔽的屏蔽效果比單個屏蔽體高得多,因此組合屏蔽能夠將磁場衰減到很低的程度。

7．2 電路設計

由于時鐘頻率越高,高頻能量的發(fā)射越強,因此在數字電路中不要使用過高的時鐘頻率。印制板上的總線、較大的環(huán)路面積和較長的導線都是強輻射源,因此,除非必要,要盡量避免這些情況的出現。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,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間很短,因此會在很高的頻率范圍內產生發(fā)射。在功能允許的條件下,盡量使用標準型電路。電路設計時要最大限度地保持數字線和信號線分離。信號通道必須遠離輸入輸出線以防止數字線上開關噪音輻射到信號線上。

7．3 印制板的設計

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鍵的。有些元器件,特別是磁性元件（如濾波器）在一個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。開關器件遠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,在走線的電感上產生感應電壓,這個電壓會產生較強的噪音輻射。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中心線的每一邊是對稱的。變壓器的次級具有分路,這分路有助于變壓器的次級繞組的分布電容更好地控制傳輸頻道上的返回損耗。它還可以在高頻段提供一阻尼的下凹,其頻率范圍出現在(700～900)MHz之間,這個范圍也可以進行控制,典型的響應曲線見圖18。