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(gè)基本概念，首先來(lái)介紹幾個(gè)名詞。

1、共模與差模電流

根據(jù)基爾霍夫定律，流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流總量等于流出這個(gè)節(jié)點(diǎn)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(hào)線路，看不出流回信號(hào)源的回路；實(shí)際上，電流是經(jīng)過(guò)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(duì)差分信號(hào)線上，大小相同，方向相反的一對(duì)信號(hào)，一般是電路中的工作電流，對(duì)于信號(hào)線就是信號(hào)線與信號(hào)地線之間流動(dòng)的電流。

共模電流：在一對(duì)差分信號(hào)線上，大小相同，方向相同的一對(duì)信號(hào)（或噪音）。在電路中，一般對(duì)地噪音一般都是以共模電流的方式傳輸?shù)模杂址Q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(jì)中，廣泛利用共模電感產(chǎn)生共模電流，來(lái)供給初級(jí)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(chǎng)，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(dòng)，理想情況下地線是電流返回源的阻抗最低路徑，然而實(shí)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(duì)于某些頻率高的電流，因?yàn)殡s散電容的存在，電流通過(guò)這一耦合通道流回源，而與地線上的電壓形成了一個(gè)共模電流的驅(qū)動(dòng)源。

電磁場(chǎng)：兩根導(dǎo)線上感應(yīng)出的共模電壓是相同的，但由于兩個(gè)導(dǎo)線對(duì)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(duì)原有的差模信號(hào)造成干擾。設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)電磁輻射的一個(gè)重要原因是共模電流，而共模電流來(lái)自于設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的共模電壓，來(lái)源主要是以下幾種：

工作的信號(hào)電壓：因?yàn)殡娐分車鷮?dǎo)體存在雜散電容，電壓通過(guò)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(hào)回流線，總是會(huì)存在電壓噪聲，當(dāng)有線纜連接到電路板上時(shí)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(chǎng)，處于這個(gè)電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體都會(huì)感應(yīng)出電壓，而這個(gè)電壓就會(huì)產(chǎn)生電流，從而對(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)度的關(guān)系更密切，因此減小地線阻抗需要縮短地線長(zhǎng)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(duì)于較低頻線路，使用單點(diǎn)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(duì)于高速線路則采用多點(diǎn)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(gè)電路隔離：有時(shí)因?yàn)榘踩哪康兀O(shè)備必須接地，單點(diǎn)接地不可能。這時(shí)可以使用隔離變壓器或光耦隔離器來(lái)連接兩臺(tái)設(shè)備，切斷兩個(gè)設(shè)備之間的電氣連接，差模信號(hào)通過(guò)磁場(chǎng)或光傳送，同時(shí)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(shí)鐘電路、振蕩器電路等在工作時(shí)會(huì)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(shí)為了抑制線路中的高頻共模成分造成的輻射，會(huì)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，使得共模回路的阻抗減小，會(huì)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(wú)法對(duì)地線等部分進(jìn)行修改，或者旁路電容使線路的共?？垢蓴_能力受影響時(shí)，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(duì)線圈，當(dāng)交變電流通過(guò)時(shí)，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而在線圈中產(chǎn)生磁通量。對(duì)于差模信號(hào)，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)生的差模阻抗非常小；而共模信號(hào)產(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(duì)于差模信號(hào)的影響較小而對(duì)共模噪聲具有很好的濾波性能。

針對(duì)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(shí)信號(hào)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(hào)，而使用共模扼流器則能夠?qū)Σ钅Ｐ盘?hào)與共模噪聲進(jìn)行分別，濾除噪音保留信號(hào)。

審核編輯：郭婷