共模和差模信號的定義及產(chǎn)生機(jī)理

1、共模和差模信號的定義及產(chǎn)生機(jī)理作者：日期：共模和差模信號的定義及產(chǎn)生機(jī)理、電纜、絞線、變壓器和扼流圈電 磁干擾產(chǎn)生及其的抑制 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(guān)系是至關(guān)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(wǎng) (LAN)和通信接口電 路中減小共模干擾起關(guān)鍵作用。 共模噪音在用無屏蔽對絞電纜線的 通信系統(tǒng)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(guān)心的磁性界面的電磁兼容論點(diǎn)。本文的主要目 的是闡述差模和共模信號的關(guān)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

2、線上會引起 噪音發(fā)射。在介紹這些信號特點(diǎn)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(fù)載阻抗。每一 線對地的電壓用符號和 V2來表示。 差模信號分量是 VDIF，共 模信號分量是 V OM，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=-V （1）大小相等，相位差是 180°V I F V1-V2（2）因?yàn)?V1和2 對地是對稱的 ,所以地線上沒有電流流過。所 有的差模電流（ F）全流過負(fù)載。在以電纜傳輸信號時 , 差 模信號是作為攜帶信息“想要”的

3、信號。局域網(wǎng) （ A）和通信中 應(yīng)用的無線收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)中安裝的都是差模器件。兩個電壓（V +V） 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° 3（ 4）共模信號的電路如圖所示 ,其波形如圖 4 所示。因?yàn)樵谪?fù)載兩端沒有電位差，所以沒有電流流過負(fù)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 , 所以它是“不想要”的信兩個電壓瞬時值之和 （1V2）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

4、絞電纜線中的每一根導(dǎo)線是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞 著。流過每根導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場受螺旋形的制約。流過對絞 線中每一根導(dǎo)線的電流方向 , 決定每對導(dǎo)線發(fā)射噪音的程度。在每對 導(dǎo)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(dǎo)線上的電流是以相反方 向在一對導(dǎo)線上傳送。如果這一對導(dǎo)線是均勻的纏繞 , 這些相反的電 流就會產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)生射

5、頻干擾。32 對絞線中的共模信號共模電流 ICOM在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動 , 并經(jīng)過寄生 電容 Cp到地返回。在這種情況下，電流產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生射頻干擾。 3 電纜線上產(chǎn)生的共模、差模噪音及其 EMC電子設(shè)備中電纜線上的噪音有從電源電纜和信號電纜上產(chǎn) 生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差 模噪音兩種 1 。差模傳導(dǎo)噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)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

6、音的方法是在 信號線和電源線上串聯(lián)差模扼流圈、 并聯(lián)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(chǎn)生的輻射。 這種 噪音產(chǎn)生的電場強(qiáng)度與電纜到觀測點(diǎn)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 C低通濾波器阻止噪音電流流進(jìn)電纜； 使用屏蔽 電纜或扁平電纜 , 在相鄰的導(dǎo)線中傳輸回流電流和信號電流 , 使環(huán)路共模傳導(dǎo)噪音是在設(shè)備內(nèi)噪音電壓的驅(qū)動下 , 經(jīng)過大地與設(shè) 備之間的寄生電容 , 在大地與電纜之間流動的噪音電流產(chǎn)生的 ,如圖 9 所示。減小共模傳導(dǎo)噪音

7、的方法是在信號線或電源線中串聯(lián)共模扼 流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成 LC 濾波器進(jìn)行濾波 , 濾去 共模傳導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)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(qū)動下 , 從大地到電纜之間有共模電流流動而產(chǎn)生的。輻射的電場強(qiáng)度與電 纜到觀測點(diǎn)的距離成反比， （ 當(dāng)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

8、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 1 所示的抗干擾變壓器來防止差4 變壓器與噪音傳導(dǎo)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?yàn)楣材ｋ娏髟谧儔浩骼@組兩端的電 位差為零 , 不能在變壓器繞組上產(chǎn)生磁場。實(shí)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 CW, 見圖 12。這個電容是繞組之間存在非電介質(zhì)和物理 間隙所產(chǎn)生的。增加繞組之間的空隙和用低介電常數(shù)的材料填滿繞 組之間

9、的空間就能減小繞組之間電容的數(shù)值。電容 Cw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。 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(shí)際 扼流圈中或多或少存在的雜散阻抗 （Cw,DCR,Cp等） 的影響。這樣的 假設(shè)是合理的 , 因?yàn)橐粋€好的扼流圈設(shè)計，它的雜散阻抗和電路的源 阻抗、負(fù)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(yīng) 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。

10、5 2 理想共模扼流圈對共模信號的效應(yīng)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 4, 它建立大小相等相位相同的相加磁場。這一結(jié)果就使共模扼流 圈對共模信號呈現(xiàn)高阻抗 , 使通過共模扼流圈的共模電流大大地減 弱。實(shí)際減弱量 （ 或共模抑制量）取決于共模扼流圈阻抗和負(fù)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(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)摹τ?理想的自耦變壓器 2, 不考慮實(shí)際或多或少存在的雜散阻抗 （Cw， CR,Cp等）的影響。這樣的假設(shè)是合理的 , 因?yàn)橐粋€好的自耦變壓器 設(shè)計,它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負(fù)載阻抗相比是可以忽略的。6 1 理想自耦變壓器對差模

11、信號的效應(yīng)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(xiàn)高阻抗。相當(dāng)于對差模信號并聯(lián)了一個高阻值 的阻抗，它對差模信號的大小沒有影響。6. 理想自耦變壓器對共模信號的效應(yīng)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 6。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(xiàn)零阻抗效應(yīng) , 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(shè)計、印制板布線上想辦法來減小電磁干擾或在機(jī)箱上增

12、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(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)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(jìn)入機(jī)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(dǎo)體將噪音源包圍起來 ,然后接地, 就能達(dá)到 屏蔽的目的。由于導(dǎo)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(jī)箱上即使有縫隙 , 也不會產(chǎn)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(chǎn)生的。例如 , 感應(yīng)煉鋼爐中有數(shù) 萬安培的電流通過，在爐周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場 , 這個強(qiáng)磁場會使控制 系統(tǒng)中的磁敏器件失靈

13、。最常見的磁敏器件是彩色 RT 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(chǎn)生抖動， 導(dǎo)致顯示質(zhì)量嚴(yán)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(yuǎn)離磁場源是減小磁場干 擾的十分有效的措施。但當(dāng)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(dǎo)電率高的材料如鈹銅復(fù)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(dǎo)磁率的鐵磁合金才能屏 蔽直流磁場或低頻磁場。根據(jù)電磁屏蔽

14、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(yīng)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(dǎo)磁率材料為磁場提供一條磁阻很低的旁路來實(shí)現(xiàn)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(dǎo)磁率材料在機(jī)械的沖擊下會極大地?fù)p失磁性，導(dǎo)致屏蔽 效能下降。因此 , 屏蔽體在經(jīng)過機(jī)械加工（如折彎、焊接、敲擊、鉆 孔等）后, 必須經(jīng)過熱處理以恢復(fù)磁性。熱處理要在特定條件下進(jìn)行 , 一般要在干燥氫氣爐中以一定的速率加熱到 177,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(jìn)行

15、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(dǎo)磁。如果屏蔽效能要求較低 ,也可 以采用鉚接或點(diǎn)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(dāng)需要屏蔽的磁場很強(qiáng)時 ,僅用單層屏蔽材料 , 達(dá)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(nèi) , 它們之間留有氣隙。氣隙內(nèi)可以 填充任何非導(dǎo)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?qū)⒋艌鏊p到很低的程度。 .2 電路設(shè)計由于時鐘頻率越高 , 高頻能量的發(fā)射越強(qiáng)，因此在數(shù)字電路 中不要使用過

16、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(dǎo)線都是強(qiáng)輻射源 ,因此, 除非必要，要盡量避免這些情況的 出現(xiàn)。 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(nèi)產(chǎn)生 發(fā)射。在功能允許的條件下 , 盡量使用標(biāo)準(zhǔn)型電路。電路設(shè)計時要最 大限度地保持?jǐn)?shù)字線和信號線分離。信號通道必須遠(yuǎn)離輸入輸出線 以防止數(shù)字線上開關(guān)噪音輻射到信號線上。7 3 印制板的設(shè)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(guān)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°放置，磁場 相互抵消并減小噪音輻射。開關(guān)器件遠(yuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生感應(yīng)電壓 , 這個電壓會 產(chǎn)生較強(qiáng)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