导体传导和共模Word文档格式.docx

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共模和普通模式。

其中，共模会导致很强的无线电波发射和接收，并且具有复杂的机制，常常对工程师进行噪声抑制造成问题。

本章节将首先解释共模和普通模式，然后介绍消除噪声的EMI静噪滤波器的基本结构。

共模的产生将在下一个章节解释，因为它涉及一个特殊概念。

共模噪声

（1）电缆作为天线发射噪声的示例

图1中的测试再现了电子设备噪声抑制中经常出现的情形。

通过接口电缆连接电子设备（噪声抑制前），测量电缆作为天线发射的噪声。

如果没有电缆，噪声电平非常低，如图1（a）所示。

但是，连接了电缆时，在100MHz到300MHz的频率范围内噪声增加，如图1（b）所示。

可以这样理解:

在此状态下，电子设备发射的噪声从连接器传导至接口电缆，然后以电缆作为天线进行发射。

图1电子设备电缆发射噪声的示例

（2）研究传导噪声的线路

电缆内有多根导线。

那么，在图1的测试中，传导噪声的是哪根导线？

一般而言，接口电缆包括接地线，电源线和信号线等。

图1的情况实际上是屏蔽电缆，噪声也可能通过屏蔽传导。

因此，将具有与接口电缆相同形状的单根导线连接至相应线路相连的连接器内的端子，然后测量噪声。

测量结果如图2所示。

在此我们选择了速度相对较低的信号线作为代表。

参照图2的结果可以得知，虽然多少有些不同，但无论连接哪条线路，都会发射几乎与图1（b）所示趋势相同的噪声。

当如图2（d）所示连接到屏蔽接地时，也会发射噪声。

图2中的结果表明，无论电缆连接到连接器内的哪个端子，都会引起共同的噪声。

如上所述，通过电缆内导线共同传导的噪声被称为共模噪声。

图2研究每根线路发射成分的结果

（3）叠加到接地的噪声也被称为共模噪声

相反，电路的接地一般为电压的基准点，也就是发射噪声最少的地方。

如果如图2（c），（d）所示噪声叠加到接地，同样的噪声将叠加到电源和信号。

因此，叠加到接地的噪声有时也被称为共模噪声。

尽管共模噪声是噪声抑制要处理的一个常见问题，但却是有着复杂概念和机制且难以从逻辑上解释的成分。

首先本章节将介绍共模的成分是如何传输的，然后下一个章节将介绍导致共模噪声的机制。

2.噪声传导的两种模式

（1）共模和普通模式

电路以电流沿路径流动一周为基础。

如果按图3（a）所示截取电路的一部分作为电缆，电缆有两根导线，分别供电流进入和流出。

相同大小的电流以相反的方向相互流动。

因此，总和始终为零。

这种电流流动的方式被称为普通模式。

相反，电流可能在电缆内的线路中以相同方向流动，如图3（b）所示。

这种方式被称为共模。

共模是电流的一个成分，不管什么形状的线路都承受相同电压，电流在图中向同一方向流动。

从图中可得知，此电流是经由地线所保持负载的浮动静电容量泄漏的电流所导致，然后经过地线回到噪声源。

（电流也可能是负载和噪声源之间的直接连接所导致而不经过地线）

图3共模和普通模式

（2）线路很多时

即使电缆内有很多导线共用接地，使电路变得复杂，只要没有绕路或者电流泄漏，整个电缆中电流总和就会为零，如图4（a）所示。

这种状态也被称为普通模式。

如果如上所述有很多线路，每根线路的电流大小不一定要相同。

图4（b）展示了共模应用于相同电路的电流。

在这种情况下，导线电流的方向与参照地线的相应电压的方向相同。

这就意味着共模下线路电压为零。

因此，共模噪声具备难以用示波器等一般测量设备来观测的特性。

最终，每条线路上流过的电流为普通模式和共模的总电流。

尽管我们能根据图示清楚地描述，但通常很难从每条线路上流过的电流中区分这2种。

因此，通过观察方法来推测噪声模式对于抑制噪声是很重要的。

图4线路很多时

3.普通模式和差模

（1）普通模式也称为差模

如图3所示两条线路上的普通模式有时也称为差模。

因为此处讨论的情况也包括线路很多时的情况（如图4），我们通常称之为普通模式，只有在特指一对电线时（如差分信号），才称其为差模。

（2）普通模式也用于电路运行

除了噪声传导之外，普通模式和共模也用于电路运行和信号传输。

通常，普通模式用作图3中的信号源。

近年来，差分信号已经用于很多传输高频信号的电路。

正如其名，差分信号就是通过差模（普通模式）传输信号。

但是，因为其它信号有时叠加到传输，共模也可能叠加使用。

在这种情况下，电缆需要进行屏蔽，才能防止共模被发射并转化为噪声。

4.噪声发射的影响

（1）普通模式噪声发射

当噪声通过电缆传导时，普通模式会导致非常少量的噪声发射。

这是因为前进电流和回流电流分别形成的磁场在观察点处相互抵消，如图5所示。

为减少发射，电缆区域可采用双绞线或屏蔽电缆。

电缆连接的印刷电路板有着更宽的导线间距，如图5所示。

在这里，前进电流和回流电流的抵消作用被减弱，线路像一根环形天线一样。

因此，尽管是普通模式，还是会从此区域发射出对应于环形区域的噪声。

即使电缆尚未连接，如图6所示运行电路的电流为普通模式，构成电路的线路形成一个环路天线，以同样方式产生的噪声发射。

因此，为减少印刷电路板发射的噪声，需要设计图案形状以缩小电流环路面积。

采用了多层线路板的接地层可减小电流环路的面积，因为电流可以直接在信号线下方回流。

图5普通模式电流的发射

图6电路电流形成环路天线

（2）共模噪声发射

与普通模式不同，当噪声在共模下通过电缆传导时，不会获得抵消效应。

如图7所示，相应电流形成的电磁场在测量点处相互增强。

在同样的电流流动下，共模发射的无线电波远远强于普通模式（可能强1000倍左右）。

因此，抑制共模电流对于减少噪声发射非常重要。

共模电流通常经由浮动静电容量流动（如图7所示），由于其阻抗高，在低频范围内电流不会很大。

但是，在高频范围内，整个结构作为天线，共模产生的发射可能会很强，因为阻抗降低，电流很容易流动。

此外，普通模式电流是用于电路运行的电流模式，不可能通过滤波器完全消除。

相反，共模通常是不必要的成分，因而可以根据需要通过滤波器消除。

静噪滤波器的结构将在后文讲述。

图7共模噪声的发射

5.静噪滤波器的结构

（1）通过电容器和电感器组成低通滤波器

一般而言，使用电容器（C）和电感器（L）在作为噪声传输路径的电缆的中间及连接点组成一个低通滤波器，以便阻止噪声传导。

第6章将详细介绍低通滤波器，因此本章只是解释基本滤波器结构。

（2）普通模式用滤波器

如图8所示，可在线路中加入一个电容器并串联阻抗元件（扼流线圈或铁氧体磁珠等）组成普通模式用滤波器。

普通模式噪声电流的方向与电路运行中电流的方向一致。

因此，通过滤波器消除噪声时，也会同时消除电路运行所需的一些成分。

通过调整L和C的值，使低通滤波器的截止频率不会消除电路运行所必须的成分。

此外，如图8所示，如何使用阻抗元件随着电路和电缆情况而变化。

如果所有线路都像商用电源线一样以接地为参照漂浮布置，电路会被视为平衡电路，两条线路都会使用阻抗元件。

为此，需要保持平衡，使阻抗相同。

如果一侧接地，例如在数字电路中，电路会被视为不平衡电路，通常接地不会使用阻抗元件。

但是，如果接地感应到噪声（也就是说感应到共模噪声），也可在接地侧使用阻抗元件。

在此，“平衡”和“不平衡”指的是在传导普通模式时如何参照地线保持电压。

如果电压平衡地施加于两条线路，则可以称之为平衡;

如果电压集中在一条线路上，则称之为不平衡。

不平衡电路的另外一条线路是接地线，几乎不承受任何电压。

图8普通模式用滤波器结构的示例

（3）共模用滤波器

如图9所示，将电容器连接到接地（称为Y电容器），组成一个共模用滤波器。

应当尽可能地使用共模扼流线圈作为阻抗元件。

如果电缆中有很多导线，可以将电缆绕在铁氧体磁芯上或者将电缆夹在铁氧体磁心中，形成一种共模扼流线圈，如图10所示。

共模扼流线圈将在下一章中详细介绍。

产生共模噪声时，噪声可能会出现在与Y电容器相连的接地上。

这时，Y电容器的效果减弱，因为Y电容器没有连接到合适的接地。

在这种情况下，需要单独构建与Y电容器相连的接地点。

如图所示，接地的线路用于构成噪声源噪声的返回路径。

图9共模用滤波器的基本结构

图10使用铁氧体磁芯的共模扼流线圈

（4）适用于共模和普通模式的滤波器

商用电源线使用的静噪滤波器通常针对共模和普通模式的混合噪声提供措施，因而包括可以处理两种模式的滤波器。

图11所示为典型的电路结构[参考文献4]。

此例展示了作为阻抗元件的共模扼流线圈。

但是，如果普通模式噪声很强，阻抗可能会不足，因此在使用滤波器时，可以针对普通模式增加一个扼流线圈。

图11用于消除共模和普通模式的滤波器结构

6.滤波器静噪的示例

（1）通过商用电源线传导的噪声

尽管图1给出了测量电子设备接口电缆所发射噪声的示例，但是相对较低频率范围内的噪声传导却成为电子设备电源线面临的一个问题。

在电源线中，共模和普通模式也是问题所在。

开关电源是发射噪声到电源线的典型噪声源之一。

图12给出了测量开关电源噪声的示例。

交流电源线上的噪声测量使用了一种探针，用于测量如图12（a）所示电源线上的LISN（LineImpedanceStabilizingNetwork:

线路阻抗稳定网络）噪声，并测量通过电源线传导的噪声。

此处，在去除内置于开关电源静噪滤波器的情况下进行测试。

测量的频率范围为150kHz到30MHz，使用了频谱分析仪测量峰值。

如图12（b）的测量结果所示，在150kHz的整数倍处观察到了强烈的噪声;

150kHz是开关电源的开关频率。

因为图表中的频率轴为对数，在超过1MHz的高频率范围内噪声间隔似乎更小。

但是，仔细观察就会发现，这个范围内的间隔也是150kHz。

图12测量开关电源噪声的示例

（2）噪声模式的分离

图12中所示的测量结果表示了每条线路到接地的电压。

尽管测量结果显示为Va和Vb，但在两条线路上观察到了几乎相同电平的噪声。

这就是观察共模和普通模式的混合。

通常噪声规定会设定一个电压限值。

如果您使用特定的LISN（如支持CISPR16的LISN），可以分别观察到噪声中的共模和普通模式。

图13显示了从图12的测量结果中分离出来的结果。

在图中，Sym（对称）表示普通模式，而Asym（不对称）表示共模。

图13的测量结果表明，普通模式在开关电源的较低频率范围内更强，而共模在较高频率范围内更强。

这种趋势在开关电源中很常见。

图13分离共模和普通模式进行测量的示例

（3）验证静噪滤波器的效果

图14展示了验证图11所示静噪滤波器的各个远件对于图13所示开关电源噪声的效果如何的结果。

图14（a）给出了连接图11所示所有组件时的测量结果。

相比图13（b）中未使用这些元件时的测量结果，噪声得到了很好地抑制。

图14（b）到（d）显示了逐个减去图11所示静噪滤波器元件时的结果。

可以得知，X电容器主要对普通模式有效，Y电容器主要对共模有效，