|
1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(wú)屏蔽對絞電纜線(xiàn)的通信系統中，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(wú)屏蔽對絞電纜線(xiàn)上會(huì )引起噪音發(fā)射。在介紹這些信號特點(diǎn)的同時(shí)，還介紹了抑制一般噪音常用的方法。 
圖1差模信號
圖2差模信號的波形圖 2差模和共模信號我們研究簡(jiǎn)單的兩線(xiàn)電纜，在它的終端接有負載阻抗。每一線(xiàn)對地的電壓用符號V1和V2來(lái)表示。差模信號分量是VDIFF，共模信號分量是VCOM，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=－V2（1） 大小相等，相位差是180° VDIFF=V1－V2（2） 因為V1和V2對地是對稱(chēng)的，所以地線(xiàn)上沒(méi)有電流流過(guò)。所有的差模電流（IDIFF）全流過(guò)負載。 在以電纜傳輸信號時(shí)，差模信號是作為攜帶信息“想要”的信號。局域網(wǎng)（LAN）和通信中應用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機的結構中安裝的都是差模器件。兩個(gè)電壓（V1＋V2）瞬時(shí)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° V3=0（4） 共模信號的電路如圖3所示，其波形如圖4所示。 因為在負載兩端沒(méi)有電位差，所以沒(méi)有電流流過(guò)負載。所有的共模電流都通過(guò)電纜和地之間的寄生電容流向地線(xiàn)。在以電纜傳輸信號時(shí)，因為共模信號不攜帶信息，所以它是“不想要”的信號。
圖3共模信號
圖4共模信號的波形圖
圖5無(wú)屏蔽對絞線(xiàn)系統中的差模信號
圖6無(wú)屏蔽對絞線(xiàn)系統中的共模信號 兩個(gè)電壓瞬時(shí)值之和（V1＋V2）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(huì )從電纜上發(fā)射電磁波。3差模和共模信號及其在無(wú)屏蔽對絞線(xiàn)中的EMC 在對絞電纜線(xiàn)中的每一根導線(xiàn)是以雙螺旋形結構相互纏繞著(zhù)。流過(guò)每根導線(xiàn)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)受螺旋形的制約。流過(guò)對絞線(xiàn)中每一根導線(xiàn)的電流方向，決定每對導線(xiàn)發(fā)射噪音的程度。在每對導線(xiàn)上流過(guò)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(xiàn)中的差模信號 對純差模信號而言，它在每一根導線(xiàn)上的電流是以相反方向在一對導線(xiàn)上傳送。如果這一對導線(xiàn)是均勻的纏繞，這些相反的電流就會(huì )產(chǎn)生大小相等，反向極化的磁場(chǎng)，使它的輸出互相抵消。在無(wú)屏蔽對絞線(xiàn)系統中的差模信號如圖5所示。 在無(wú)屏蔽對絞線(xiàn)中，不含噪音的差模信號不產(chǎn)生射頻干擾。 3．2對絞線(xiàn)中的共模信號 共模電流ICOM在兩根導線(xiàn)上以相同方向流動(dòng)，并經(jīng)過(guò)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(chǎng)，它們的輸出不能相互抵消。如圖6所示，共模電流在對絞線(xiàn)的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，它的作用正如天線(xiàn)一樣。 在無(wú)屏蔽對絞線(xiàn)中，共模信號產(chǎn)生射頻干擾。 3．3電纜線(xiàn)上產(chǎn)生的共模、差模噪音及其EMC 電子設備中電纜線(xiàn)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噪音兩大類(lèi)。這兩大類(lèi)中又分為共模噪音和差模噪音兩種[1]。 差模傳導噪音是電子設備內部噪音電壓產(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。減小這種噪音的方法是在信號線(xiàn)和電源線(xiàn)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(lái)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(chǎng)強度與電纜到觀(guān)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LC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，在相鄰的導線(xiàn)中傳輸回流電流和信號電流，使環(huán)路面積減小。 共模傳導噪音是在設備內噪音電壓的驅動(dòng)下，經(jīng)過(guò)大地與設備之間的寄生電容，在大地與電纜之間流動(dòng)的噪音電流產(chǎn)生的，如圖9所示。減小共模傳導噪音的方法是在信號線(xiàn)或電源線(xiàn)中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導線(xiàn)之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進(jìn)行濾波，濾去共模傳導噪聲。其電路如圖10所示。共模扼流圈是將電源線(xiàn)的零線(xiàn)和火線(xiàn)（或回流線(xiàn)和信號線(xiàn)）同方向繞在鐵氧體磁芯上構成的，它對線(xiàn)間流動(dòng)的差模信號電流和電源電流阻抗很小，而對兩根導線(xiàn)與地之間流過(guò)的共模電流阻抗則很大。
在有些電路中也可接入圖11所示的抗干擾變壓器來(lái)防止差模和共模噪音。 4變壓器與噪音傳導 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，因為共模電流在變壓器繞組兩端的電位差為零，不能在變壓器繞組上產(chǎn)生磁場(chǎng)。 實(shí)際變壓器初級和次級繞組之間有一個(gè)很小但不等于零的耦合電容CWW，見(jiàn)圖12。這個(gè)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的材料填滿(mǎn)繞組之間的空間就能減小繞組之間電容的數值。 電容Cww為共模電流提供一條穿過(guò)變壓器的通道，其阻抗是由電容量的大小和信號頻率來(lái)決定的。 5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（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設是合理的，因為一個(gè)好的扼流圈設計，它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負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 差模電流以相反的方向流過(guò)共模扼流圈的繞阻，建立大小相等，極性相反的磁場(chǎng)，它能使輸出相互抵消，見(jiàn)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(guò)共模扼流圈。 5．2理想共模扼流圈對共模信號的效應 共模電流以相同的方向流過(guò)共模扼流圈繞組的每一邊，見(jiàn)圖14，它建立大小相等相位相同的相加磁場(chǎng)。這一結果就使共模扼流圈對共模信號呈現高阻抗，使通過(guò)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載阻抗大小之比。
自耦變壓器是以定向電流傳遞方式實(shí)現能量傳輸的。對于理想的自耦變壓器[2]，不考慮實(shí)際或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設是合理的，因為一個(gè)好的自耦變壓器設計，它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負載阻抗相比是可以忽略的。 6．1理想自耦變壓器對差模信號的效應 從差模信號看，有中心抽頭的自耦變壓器是兩個(gè)在相位上相同的對分繞組，見(jiàn)圖15。這就意味差模電流在其中所形成的磁場(chǎng)，會(huì )使其對差模電流呈現高阻抗。相當于對差模信號并聯(lián)了一個(gè)高阻值的阻抗，它對差模信號的大小沒(méi)有影響。 6．2理想自耦變壓器對共模信號的效應 從共模信號看，有中心抽頭的自耦變壓器是兩個(gè)在相位上相反的對分繞組，見(jiàn)圖16。這就意味共模電流在其中會(huì )形成大小相等相位相反的磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)會(huì )使共模電流的輸出互相抵消。對共模信號呈現零阻抗效應，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 通常都是在電路設計、印制板布線(xiàn)上想辦法來(lái)減小電磁干擾或在機箱上增加屏蔽、采用有中心線(xiàn)的共模扼流圈等方法來(lái)減小電磁干擾。 7．1屏蔽 用金屬材料將機箱內部產(chǎn)生的噪音封閉起來(lái)的方法稱(chēng)為屏蔽。屏蔽對防止外部噪音進(jìn)入機箱也是同樣有效的。電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽的方法是不同的。 電場(chǎng)屏蔽是用導體將噪音源包圍起來(lái)，然后接地，就能達到屏蔽的目的。由于導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，機箱上即使有縫隙，也不會(huì )產(chǎn)生太大的影響。 磁場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)屏蔽低頻磁場(chǎng)的干擾，這種干擾是由交流電流或直流電流產(chǎn)生的。例如，感應煉鋼爐中有數萬(wàn)安培的電流通過(guò)，在爐周?chē)a(chǎn)生很強的磁場(chǎng)，這個(gè)強磁場(chǎng)會(huì )使控制系統中的磁敏器件失靈。最常見(jiàn)的磁敏器件是彩色CRT顯示器，在磁場(chǎng)的作用下，顯示器屏幕上的圖象顏色會(huì )失真，圖象會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)，導致顯示質(zhì)量嚴重降低，甚至無(wú)法使用。低頻磁場(chǎng)往往隨距離的增加而衰減很快，因此在很多場(chǎng)合，將磁敏器件遠離磁場(chǎng)源是減小磁場(chǎng)干擾的十分有效的措施。但當空間的限制而無(wú)法采取這個(gè)方法時(shí)，屏蔽也是一個(gè)十分有效的措施。要注意的是，低頻磁場(chǎng)屏蔽與射頻磁場(chǎng)屏蔽是完全不同的，射頻磁場(chǎng)的屏蔽使用導電率高的材料如鈹銅復合材料、銀、錫或鋁等材料，把它完全封閉起來(lái)，就可以了。但這些材料對低頻磁場(chǎng)沒(méi)有任何屏蔽作用。只有高導磁率的鐵磁合金才能屏蔽直流磁場(chǎng)或低頻磁場(chǎng)。 根據電磁屏蔽的基本原理，低頻磁場(chǎng)由于其頻率低，吸收損耗很小，趨膚效應很小，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(chǎng)，要通過(guò)使用高導磁率材料為磁場(chǎng)提供一條磁阻很低的旁路來(lái)實(shí)現屏蔽，這樣空間的磁場(chǎng)便會(huì )集中在屏蔽材料中，從而使磁敏器件免受磁場(chǎng)干擾。 高導磁率材料在機械的沖擊下會(huì )極大地損失磁性，導致屏蔽效能下降。因此，屏蔽體在經(jīng)過(guò)機械加工（如折彎、焊接、敲擊、鉆孔等）后，必須經(jīng)過(guò)熱處理以恢復磁性。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1177℃，保持4個(gè)小時(shí)，然后以一定的速率降低到室溫。 在對拼連接處進(jìn)行焊接時(shí)，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磁率。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。
7．2電路設計 由于時(shí)鐘頻率越高，高頻能量的發(fā)射越強，因此在數字電路中不要使用過(guò)高的時(shí)鐘頻率。印制板上的總線(xiàn)、較大的環(huán)路面積和較長(cháng)的導線(xiàn)都是強輻射源，因此，除非必要，要盡量避免這些情況的出現。使用大規模集成電路能夠大幅度減少印制板上的走線(xiàn)，從而減小輻射。在選用集成電路時(shí)，也有些問(wèn)題需要注意。例如，高速肖特基電路由于脈沖上升時(shí)間很短，因此會(huì )在很高的頻率范圍內產(chǎn)生發(fā)射。在功能允許的條件下，盡量使用標準型電路。電路設計時(shí)要最大限度地保持數字線(xiàn)和信號線(xiàn)分離。信號通道必須遠離輸入輸出線(xiàn)以防止數字線(xiàn)上開(kāi)關(guān)噪音輻射到信號線(xiàn)上。 7．3印制板的設計 在印制板上合適的放置元器件與合理的安排印制板走線(xiàn)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(gè)方向比其它方向可能有更大的磁場(chǎng)。元器件相互之間成90°放置，磁場(chǎng)相互抵消并減小噪音輻射。開(kāi)關(guān)器件遠離磁性元件也能減小噪音輻射。印制板上的走線(xiàn)也是主要的輻射源。走線(xiàn)產(chǎn)生輻射主要是由于邏輯電路中電流的突變，在走線(xiàn)的電感上產(chǎn)生感應電壓，這個(gè)電壓會(huì )產(chǎn)生較強的噪音輻射。另外，由于走線(xiàn)起著(zhù)發(fā)射天線(xiàn)的作用，因此走線(xiàn)的長(cháng)度越長(cháng)，輻射的噪音越多。短的走線(xiàn)比長(cháng)的走線(xiàn)輻射少。粗的走線(xiàn)比細的走線(xiàn)噪音輻射少。所以使走線(xiàn)盡可能地短，從而把走線(xiàn)的自感減到最小是很必要的。 7．4采用有中心線(xiàn)的共模扼流圈 減少和改善噪音的另一種方法，特別是對高頻段，是在傳輸頻道上用有中心線(xiàn)的共模扼流圈，如圖17所示。 共模扼流圈的耦合電容對中心線(xiàn)的每一邊是對稱(chēng)的。變壓器的次級具有分路，這分路有助于變壓器的次級繞組的分布電容更好地控制傳輸頻道上的返回損耗。它還可以在高頻段提供一阻尼的下凹，其頻率范圍出現在(700～900)MHz之間，這個(gè)范圍也可以進(jìn)行控制，典型的響應曲線(xiàn)見(jiàn)圖18。 |
