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
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原文標(biāo)題:電路中共模噪聲的產(chǎn)生和抑制機(jī)理
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