共模噪聲和差模噪聲的介紹及在濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳導(dǎo)發(fā)射是電磁兼容設(shè)計(jì)中的重要問題之一。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射限制的要求，通常使用EMI濾波器來抑制電子產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲?？焖龠x擇或者設(shè)計(jì)一個(gè)滿足需要的濾波器是解決問題的關(guān)鍵。傳導(dǎo)噪聲分析技術(shù)包括共模噪聲、差模噪聲分析，共模阻抗、差模阻抗分析，這是濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

共模噪聲和差模噪聲

傳導(dǎo)噪聲根據(jù)傳輸特性產(chǎn)生分成兩類：差模噪聲和共模噪聲。差模噪聲是當(dāng)兩條電源線的電流方向互為相反時(shí)發(fā)生的，而共模噪聲是當(dāng)所有電源線的電流方向相同時(shí)發(fā)生的，如圖1所示。一般而言，共模是最大難題，這是由雜散電容的不當(dāng)接地造成的。

圖1 共模噪聲和差模噪聲

如果存在不等值的負(fù)載或線路阻抗，就會(huì)將共模電流轉(zhuǎn)換成部分共模電流和部分差模電流。當(dāng)電源系統(tǒng)給電路供電時(shí)，如果電路具有不等值的阻抗，而且電源的輸出存在共模噪聲時(shí)，共模噪聲將差動(dòng)方式作用于電路，電路可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。所以，在產(chǎn)生共模電流時(shí)，就要首先降低共模噪聲，其次是均衡阻抗。此外，由于共模和差模的特性，共模電流的頻率會(huì)比差模的頻率大。因此，共模電流會(huì)產(chǎn)生很大的射頻輻射，而且會(huì)和鄰近的組件和電路發(fā)生感性與容性的耦合。在實(shí)際電源電路里，差模噪聲很像是一個(gè)電壓源，共模噪聲比較像一個(gè)電流源，這使得共模噪聲更難被消除。共模噪聲和所有的電流源一樣，需要有一個(gè)流動(dòng)路徑存在。因?yàn)樗穆窂桨妆P，所以外殼可能會(huì)變成一個(gè)大型的高頻天線。

共模噪聲和差模噪聲分析

在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，人們借助LISN和接收機(jī)完成傳導(dǎo)發(fā)射的測試，測試結(jié)果將給出電源線上的總噪聲特性。

圖2是使用LISN測試電源噪聲的示意圖，由于LISN輸出使用標(biāo)準(zhǔn)50Ω阻抗。因此兩路LISN分別得到噪聲電壓：

圖2 LISN測試示意圖

VL=25xIcm+50xIdm

VN=25xIcm－50xIdm

使用標(biāo)準(zhǔn)LISN無法分離共模和差模噪聲，但是借助某些特殊裝置可以做到。如：LISN UP、CM/DM分離器、ESA2000和PREMIPRO都可以完成噪聲分離任務(wù)。圖3給出了CM/DM分離器原理圖，它是一種以變壓器為基礎(chǔ)的裝置，利用共模電壓無法使變壓器工作的原理。

圖3 CM/DM分離器原理圖

至此已經(jīng)了解了產(chǎn)品的傳導(dǎo)發(fā)射是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且分析出差模噪聲和共模噪聲的特性（見圖4 (a)和圖4 (b)）。后續(xù)的工作就是選擇或者設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器來解決傳導(dǎo)發(fā)射問題。

圖4 (a) 總噪聲和差模噪聲 圖4 (b) 總噪聲和共模噪聲

電源輸入阻抗特性分析

濾波器的制造商給出的濾波器插損是在50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗系統(tǒng)中的性能。眾所周知電源的輸入阻抗隨著頻率的變化具有不連續(xù)性，而隨著阻抗的改變?yōu)V波器的插損特性也具有很大的變化，100?H電感和100nF電容器在理想情況下帶來的衰減分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5(a) 100?H電感（理想的）的衰減 圖5(b) 100nF電容器（理想的）的衰減

為了充分發(fā)揮濾波器的性能，在選擇或者設(shè)計(jì)濾波器之前，需要對(duì)電源端口的輸入阻抗進(jìn)行分析，這包括共模阻抗、差模阻抗，共模噪聲相位角、差模噪聲相位角。阻抗測試可以借助專用的阻抗測試儀或者傳導(dǎo)分析儀。

電源濾波器

通常有四種技術(shù)來進(jìn)行電源濾波，以便遏制干擾噪聲。在實(shí)際使用中混合其中的兩種，甚至更多。它們是：

正負(fù)極電源線之間添加電容，叫Ｘ電容。

每根電源線和地線之間添加電容，叫Ｙ電容。

共模遏制（兩根電源線上的遏制線圈同向繞線）。

差模遏制（每根電源線有它自己的遏制線圈）。

使用濾波器測試模板可以分別說明各個(gè)元件的濾波作用。濾波器模型如圖6所示。分析結(jié)果見圖7、8、9、10所示。

圖6 電源濾波器模型

圖7 (a) 僅使用100?F差模電容前后的差模噪聲 圖7 (b) 僅使用100?F差模電容前后的共模噪聲

圖8 (a) 僅使用0.01?F共模電容前后的差模噪聲 圖8 (b) 僅使用0.01?F共模電容前后的共模噪聲

圖9 (a) 增加227μH差模電感前后的差模噪聲 圖9 (b) 增加227μH差模電感前后的差模噪聲

圖10 (a) 使用完整濾波前后的差模噪聲 圖10 (b) 使用完整濾波前后的共模噪聲

解決方案

傳導(dǎo)噪聲分析中的共模噪聲、差模噪聲分析，共模阻抗、差模阻抗分析，以及噪聲相位角的測試都是在為最終的解決方案做準(zhǔn)備。電子產(chǎn)品滿足傳導(dǎo)發(fā)射的限制要求，最終是通過電源濾波器來實(shí)現(xiàn)的。但是如何根據(jù)上述分析結(jié)果快速并準(zhǔn)確地確定濾波器中的參數(shù)，卻并不是一項(xiàng)簡單的工作。使用特制的濾波器設(shè)計(jì)軟件，可以將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件中，可幫助工程師快速得到針對(duì)該產(chǎn)品的定制濾波器。應(yīng)用方案如圖11。

圖11 自動(dòng)濾波器設(shè)計(jì)

結(jié)束語

通常對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射的限制是針對(duì)電源線輸入端，并不包括電源的輸出端。本文所介紹的噪聲分析方法可以借鑒電源輸出端的共模噪聲和差模噪聲測試，如使用兩個(gè)電流探頭和CM/DM分離器（或LISN UP）就可以快速診斷電源輸出端共模噪聲。如果要求不高，也可采用倒置的LISN和CM/DM分離器來測試電源輸出端的共模噪聲。