共模和差模信號(hào)與濾波器

1概述

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，電磁兼容已成為研究微電子裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題。抑制電磁干擾采用的技術(shù)主要包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等。而干擾源的傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz～30MHz，僅從產(chǎn)生干擾的原因出發(fā)，通過控制脈沖的上升與下降時(shí)間來解決干擾問題未必是一個(gè)好方法。為此了解共模和差模信號(hào)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。在抑制電磁干擾的各項(xiàng)技術(shù)中，采用濾波技術(shù)對局域網(wǎng)（LAN）、通信接口電路、電源電路中減少共模干擾起著關(guān)鍵作用。所以掌握濾波器的工作原理和其實(shí)用電路的結(jié)構(gòu)及其正確的應(yīng)用，是微電子裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2差模信號(hào)和共模信號(hào)

差模信號(hào)又稱為常模、串模、線間感應(yīng)和對稱信號(hào)等，在兩線電纜傳輸回路，每一線對地電壓用符號(hào)V1和V2來表示。差模信號(hào)分量是VDIFF。純差模信號(hào)是：V1=－V2；其大小相等，相位差180°；VDIFF=V1－V2，因?yàn)閂1和V2對地是對稱的，所以地線上沒有電流流過，差模信號(hào)的電路如圖1所示。所有的差模電流（IDIFF）全流過負(fù)載。差模干擾侵入往返兩條信號(hào)線，方向與信號(hào)電流方向一致，其一種是由信號(hào)源產(chǎn)生，另一種是傳輸過程中由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，它和信號(hào)串在一起且同相位，這種干擾一般比較難以抑制。

共模信號(hào)又稱為對地感應(yīng)信號(hào)或不對稱信號(hào)，共模信號(hào)分量是VCOM，純共模信號(hào)是：VCOM=V1=V2；大小相等，相位差為0°；V3=0。共模信號(hào)的電路如圖2所示。干擾信號(hào)侵入線路和接地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路；原則上講，這種干擾是比較容易消除的。在實(shí)際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號(hào)干擾會(huì)轉(zhuǎn)化為不易消除的串?dāng)_干擾。

3濾波器

濾波器可以抑制交流電源線上輸入的干擾信號(hào)及信號(hào)傳輸線上感應(yīng)的各種干擾。濾波器可分為交流電源濾波器、信號(hào)傳輸線濾波器和去耦濾波器。交流電源濾波器大量應(yīng)用在開關(guān)電源的系統(tǒng)中，既可以抑制外來的高頻干擾，還可以抑制開關(guān)電源向外發(fā)送干擾。來自工頻電源或雷擊等瞬變干擾，經(jīng)電源線侵入電子設(shè)備，這種干擾以共模和差模方式傳播，可用電源濾波器濾除。在濾波電路中，有很多專用的濾波元件（如鐵氧體磁環(huán)），它們能夠改善電路的濾波特性，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和使用濾波器是抗干擾技術(shù)的重要手段。例如開關(guān)電源通過傳導(dǎo)和輻射出的噪聲有差模和共模之分，差模噪聲采用π型濾波器抑制，如圖3(a)所示。圖3（a）中，LD為濾波扼流圈。若要對共模噪聲有抑制能力，應(yīng)采用如圖3（b）所示的濾波電路。圖3（b）中，LC為濾波扼流圈。由于LC的兩個(gè)線圈繞向一致，當(dāng)電源輸入電流流過LC時(shí)，所產(chǎn)生的磁場可以互相抵消，相當(dāng)于沒有電感效應(yīng)，因此，它使用磁導(dǎo)率高的磁芯。LC對共模噪聲來說，相當(dāng)于一個(gè)大電感，能有效地抑制共模傳導(dǎo)噪聲。開關(guān)電源輸入端分別對地并接的電容CY對共模噪聲起旁路作用。共模扼流圈兩端并聯(lián)的電容CX對共模噪聲起抑制作用。R為CX的放電電阻，它是VDE0806和IEC380安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所推薦的。圖3（b）中各元件參數(shù)范圍為：CX=0.1μF～2μF；CY=2.0nF～33nF；LC=幾～幾十mH，隨工作電流不同而取不同的參數(shù)值，如電流為25A時(shí)LC=1.8mH；電流為03A時(shí)，LC=47mH。另外在濾波器元件選擇中，一定要保證輸入濾波器的諧振頻率低于開關(guān)電源的工作頻率。

圖1差模信號(hào)

圖2共模信號(hào)

圖3 濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖4改進(jìn)后的濾波器

圖4所示的濾波器可進(jìn)一步提高對差模噪聲的抑制能力。CX上除加有電源電壓外，還會(huì)疊加上相線和零線之間存在的各種電磁干擾峰值電壓。為保證電容器失效后，不危及人身安全，并考慮到應(yīng)用中最壞的情況，CX安全等級分為兩類，即X1和X2類，X1等級用于設(shè)備的峰值電壓大于12kV場合，X2類用于設(shè)備峰值電壓小于1.2kV的一般場合。另外，通過限制CY的容量可達(dá)到控制在規(guī)定電壓頻率作用下，流過該電容器漏電流的大小。若為裝設(shè)在可移動(dòng)設(shè)備上的濾波器，其交流漏電流應(yīng)低于1mA，若為裝設(shè)在位置固定且接地的設(shè)備上的濾波器的交流漏電流應(yīng)小于35mA，再根據(jù)漏電流Ii的要求計(jì)算CY的容量，其關(guān)系式為：

Ii=2πfCYU

式中：f——電源頻率；

U——電源供電電壓。

LD是用來進(jìn)一步抑制差模噪聲的差模扼流圈。因?yàn)長D的引入將使電容CX充電電流減少，達(dá)到了抑制差模噪聲的目的。

4濾波器的安裝與布線

交流濾波器的安裝及布線直接影響濾波器的性能，在其安裝布線中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）濾波器應(yīng)安裝在機(jī)柜底部離設(shè)備電源入口盡量近的部位，并加以絕緣，不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在機(jī)柜內(nèi)迂回，如果交流電源進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)到電源濾波器之間有較長的距離時(shí)，則這段線應(yīng)加以屏蔽。

（2）電源濾波器的外殼必須用截面積大的導(dǎo)線以最短的距離與機(jī)殼連為一體，并盡量使電源濾波器的接地點(diǎn)與機(jī)殼接地點(diǎn)保持最短的距離，輸入輸出線應(yīng)靠近機(jī)殼底部布線以減少耦合，并將輸入輸出線嚴(yán)格分開，絕不允許將濾波器的輸入線和輸出線捆扎在一起或靠得很近，否則，當(dāng)干擾頻率達(dá)到數(shù)兆Hz以上時(shí)，這時(shí)輸入輸出線會(huì)相互耦合而降低其對高頻干擾信號(hào)的衰減效果。插座式交流電源濾波器從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的隔離，對某些直接用機(jī)殼做屏蔽的電子設(shè)備來說，是一種較理想的抗干擾元件。濾波器輸出線應(yīng)采用雙絞線或屏蔽線，其屏蔽應(yīng)可靠接地。

（3）機(jī)殼內(nèi)的其它用電器（照明燈、信號(hào)燈等）或電磁開關(guān)等應(yīng)從濾波器前端引線接到負(fù)載，或?yàn)檫@些干擾源單獨(dú)加裝濾波器。