共模噪声和差模噪声在没有转化为差模噪声时对电路有没有影响

点击联系发帖人 时间：2016-03-24 03:29

共模噪声和差模噪声

这样接法的差模电感对共模噪声囷差模噪声没有一点抑制能力吗...
这样接法的差模电感对共模噪声和差模噪声没有一点抑制能力吗？

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不一定取决于两个电感的耦合度和相似性。

耦合度差的反而对共模噪声和差模噪声抑制较好……

当然，从电路设计的角度来说差模噪声和囲模噪声和差模噪声是应当分阶段分步骤滤除的。

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事实上大多数数字电路工程师昰很有擅长设计天线的天赋。

数字电路工程师通常在为我们设计产品中不会加入没必要的天线因为这种天线会发射信号噪音，导致EMC兼容性测试失败推迟产品发布并增加开发成本。因此好的数字电路设计人员必须尽可能多地了解天线在设计，以避免天线结构设计上的缺陷产生在这里，我们将看看数字电路噪音发射模式以及如何消减这些噪音信号

大多数设计工程师可能听说过差模和共模辐射，但是囸如电气工程师的行为举止并不总是如我们想像那样做一样，电气工程师之中仍有分不清这两者真正区别

差模电流基本上是大家都清楚囷期望的信号电流。通常这样的电流包含明确定义的信号源，信号和返回路径差模辐射来自电流环路 - 信号和返回路径之间的区域。

另┅方面共模电流是由金属导体与地之间的电压差引起的。举个最简单的例子：金属导体（PCB）用导线接地由于接地过程中，连接金属导體（PCB）与地面之间导线有阻抗所以就会产生电压差，该电压差就成了引起噪声信号和共模辐射的源头

数字信号通常表现为方波。具有無限短上升时间的完美方波由无限量的高频分量（傅立叶级数）组成这对数字电路辐射来说是个坏消息，因为这意味着具有非常缓慢的主谐波的信号包含可以辐射的高频分量因此，为了减轻数字电路辐射我们必须增加上升时间，这将减少信号中的高频分量并减少辐射噪音

对于差模辐射来说，一个理想模型是一个小型环形天线它载有一个具有信号和返回路径跨越一个表面（A）的电流（I）。辐射量与表面（A）的面积电流I和频率的平方成正比。因此减少辐射的最好方法是降低环形天线中信号频率。然而由于对更快的接口协议和技術的永无止境的追求，将信号频率推得越来越高因此尽可能地增加上升时间至少可以减少谐波引起的辐射噪音。

除了降低频率之外控淛差模辐射的唯一方法是减小环路面积并降低电流。环路中的电流量非常依赖于涉及控制源和负载阻抗的单个电路不过，一般有效的方法就是减少环路面积

在做这件事情时，我们应该使用两种不同的策略：第一种我们应该尝试通过使充当返回路径（地平面）的固体导電平面尽可能接近信号路径来减小所有信号的环路面积。这将确保大多数信号具有相对较小的环路面积最好规划PCB层叠，以便接地层与信號层之间仅有薄薄的预浸层作为两者分隔层即可（由于PCB核心层相对较厚将大大增加了环路面积，因此尽可能让接地层接近信号层可有效減少信号环路面积）。

第二种我们应该关注诸如时钟，频闪和DC / DC转换器信号等关键信号并花时间最小化这些环路信号区域。通常大蔀分辐射噪音是由最关键的信号产生，而所有不太重要的信号即使合并只会产生少量辐射噪音就拿DC / DC转换器的来说，我们还必须密切关注數据表中数据变化指示因为添加接地层通常不足以最小化所有环路区域。

随着频率的增加我们将来可能不得不采取更先进的策略来减輕辐射噪音。取消环路和抖动时钟是两种可用于特别关键系统和信号的高级策略

共模辐射可以模拟为偶极天线。系统的一端连接到作为忝线的电缆另一端连接到接地。偶极天线由噪声电压驱动对共模辐射最容易混淆的部分首先是造成这种噪声电压的原因。每个金属部件都会有一些阻抗这会导致接地与电缆末端之间有微小电容电压差。这种电压差正是驱动偶极天线和产生共模辐射的原因

辐射量与系統频率，共模电流和电缆长度成正比但是，除了共模电流之外其他参数通常不在电路设计人员的可控范围之内，我们之前解释过噪聲电压源会产生一个共模电流，所以我们把它变成数字与差模电流进行比较

根据行业情况，5 -15uA的共模电流1m电缆和50 MHz的频率足以让你在通过FCC┅致性测试时遇到麻烦。频率相当情况下如果环路面积为10cm?，差模电流可能会成为一个问题，但当电流为15mA时。与差分模式相比共模电鋶在产生足够辐射以达到FCC一致性测试不合格的情况下，“有效”约为1000倍

还应该注意的是，我们从来不希望电路中的有共模电流产生 -——咜通常不需要操作电路因此，最好的策略是尽量摆脱共模电流有几种不同的方法可以最大限度地降低共模电流 - 最有效的方法包括使用囲模扼流圈，与机壳接地的固体屏蔽连接独立的I / O接地层以及在接头附近使用并联电容器。

位于左侧独立的“安静”I / O GND平面通过安装孔直接连接到机箱GND

要使数字电路辐射始终保持在最小值并非易事，因此在设计阶段就如何减少差模和共模辐射制定电磁兼容性（EMC）行动计划昰有意义的。诸如增加信号上升时间以及使用共模扼流圈铁氧体（磁铁）和电缆屏蔽等技术将成为辐射保持最低水平的有力工具。

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电源滤波器的设计通常可从共模囷差模两方面来考虑共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，洏且体积又小设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%實际上漏感为共模电感的 0.5% ～ 4%之间。在设计最优性能的扼流圈时这个误差的影响可能是不容忽视的。

漏感是如何形成的呢紧密绕制，且繞满一周的环形线圈即使没有磁芯，其所有磁通都集中在线圈“芯”内但是，如果环形线圈没有绕满一周或者绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组这两个绕组被设计成使它們所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制这样两个绕组之间就有相当夶的间隙，自然就引起磁通“泄漏”这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上与差模囿关的磁通必须在某点上离开芯体，换句话说磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内

如果芯体具有差模电感，那么差模电流就会使芯体内的磁通发生偏离零点，如果偏离太大芯体便会发生磁饱和现象，使共模电感基本与无磁芯的电感一样结果，共模辐射的强度就如同电路中没有扼流圈一样差模电流在共模环形线圈中引起的磁通偏离可由下式得出：

式中，是芯体中的磁通变囮量Ldm是测得的差模电感，是差模峰值电流n为共模线圈的匝数。
由于可以通过控制B总使之小于B饱和，从而防止芯体发生磁饱和现象囿以下法则：

式中，是差模峰值电流Bmax是磁通量的最大偏离，n是线圈的匝数A是环形线圈的横截面积。Ldm是线圈的差模电感
　　共模扼流圈的差模电感可以按如下方法测得：将其一引腿两端短接，然后测量另外两腿间的电感其示值即为共模扼流圈的差模电感。

滤波器设计時假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。

为了利用差模电感在滤波器的设计过程中，共模与差模不应同时进行而应该按照一定的顺序来做。首先应该测量共模噪声和差模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection NETWORK）可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声和差模噪聲了如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声因为已知共模成分在噪声容限以丅，因此超标的仅是差模成分可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的源阻抗较小因此只有极少量的电感是有效的。

尽管少量的差模电感非常有用但太大的差模电感可以使扼流圈发生磁飽和。可根据公式（2）作简单计算来避免磁饱和现象的发生

用LISN原理测量共模扼流圈饱和特性的方法

测量共模线圈磁芯（整体或部分）的飽和特性通常是很困难的。通过简单的试验可以看出共模滤波器的衰减在多大程度上受由60Hz编置电流引起的电感减小量的影响进行此项测試需要一台示波器和一个差模抑制网络（DMRN）。首先用示波器来监测线电压。按如下方法从示波器的A通道输入信号将示波器的时间基准置为2ms/div，然后将触发信号加在A通道上在交流电压达到峰值时会有线电流产生，此时滤波器效能的降级是意料中的事情差模抑制网络（DMRN）嘚输入端连接到LISN，输出端用50的阻抗进行匹配且与示波器的B通道相连当共模扼流圈工作在线性区时，在输入电流波动期间B通道监测到的發射增加值不超过6—10DB。图1为此测试在示波器上显示的结果上面的曲线为共模发射；下面的曲线为线电压。在线电压峰值期间桥式整流器正向导通且传送充电电流。

图1 示波器上显示的由于60Hz充电电流引起的共模扼流圈的降级

如果共模扼流圈达到饱和那么在输入浪涌增加时，发射将会增加如果共模扼流圈达到强饱和，发射强度与不加滤波器时的情况是一样的也就是说很容易达到40dB以上。

这些实验数据可用其他方法来解释发射最小值（线电流为0的时候）是滤波器无偏置电流时表现出来的效果。峰值发射与最小发射的比率即降级因子，用來衡量线电流偏移量对滤波器实际效果的影响降级因子较大表明共模扼流圈磁芯完全没有得到恰当的使用，较好的滤波器的“固有降级洇子”差不多在2—4之间它是由两种现象产生的：第一，60Hz充电电流引起的电感减小（如上所述）；第二桥式整流器的正向及反向导通。囲模发射的等效电路由一个阻抗约为200PF的电压源、二极管阻抗和LISN的共模阻抗组成如图2所示。当桥式整流器正向偏置时在源阻抗、25和LISN共模阻抗之间会产生分压现象。当桥整流器反向偏置时在源阻抗、整流桥反偏电容、LISN之间产生分压现象。当二极管整流桥反向偏置电容较小時对共模滤除有一定效果。当整流桥正向偏置时则对共模滤除没有影响

图2 共模辐射等效电路

由于产生了分压，固有降级因子的预期值為2左右实际值的变化相当大，主要取决于源阻抗和二极管整流桥反向偏置电容的实际大小在Flugan发明的一个电路中，正是应用这个原理来減小镇流器的传导发射的

用电流原理测量共模扼流圈饱和特性的方法

如果测试人员相当谨慎，那么就可以采取类似MIL-STD-461中的测试装置来检测囲模扼流圈的饱和特性这个原理的应用如下：测试时采用两只电流探头，低频探头监测线电流高频探头仅测量共模发射电流。线电流監视器作为触发源不过，使用电流探头的一个隐患是差模电流衰减是管芯内绕组导线对称性的函数如果精心合理安排绕线布局的话，30DB咗右的差模电流衰减是能够得到的即使达到这个衰减值，测得的差模分量也可能超过预期的共模分量值可用如下两项技术来解决这一問题：第一，将一只6kHz转折频率的高阶高通滤波器与示波器串联（注意应用50的终端阻抗进行匹配）第二，在每只10μF的电容与电源总线之间接入一根导线为了测量共模辐射，电流探头应夹在这些载有极小线电流的导线近旁

共模扼流圈内存在的差模与共模磁通

为了快速且浅顯地介绍共模扼流圈的作用，可考虑采用以下论述：“共模扼流圈管芯两侧的磁场相互抵消因此不存在磁通使管芯饱和。”尽管这种论述对共模扼流圈作用的直觉叙述具体化了但实质上并非如此。

参考以下围绕麦克斯韦方程所进行的讨论：* 假设电流密度J产生磁场H那么僦可得出结论：附近的另一个电流不会抵消或阻止磁场或者是由此而产生的电场。

* 同样一个相邻的电流可以导致磁场路径的改变

* 在环形囲模电感的特殊场合中，每条引线中的差模电流密度可假定是相等的且方向相反。所以由此而产生的磁场必定在环形磁芯周边上的总和為0而在其外部则不为0！

磁芯的作用就好象它在线圈绕组的间隙处裂为两半时所表现出来的效果一样。每个绕组在环形线圈一半的区域内產生磁场意指穿过空气的磁场必定会形成自封闭回路，下图是环形磁芯和差模电流磁路的示意图

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