共模和差模信號與濾波器

1概述

隨著微電子技術的發展和應用，電磁兼容已成為研究微電子裝置安全、穩定運行的重要課題。抑制電磁干擾采用的技術主要包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術、密封技術等。而干擾源的傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。傳導噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz～30MHz，僅從產生干擾的原因出發，通過控制脈沖的上升與下降時間來解決干擾問題未必是一個好方法。為此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系是至關重要的。在抑制電磁干擾的各項技術中，采用濾波技術對局域網（LAN）、通信接口電路、電源電路中減少共模干擾起著關鍵作用。所以掌握濾波器的工作原理和其實用電路的結構及其正確的應用，是微電子裝置系統設計中的一個重要環節。

2差模信號和共模信號

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

共模信號又稱為對地感應信號或不對稱信號，共模信號分量是VCOM，純共模信號是：VCOM=V1=V2；大小相等，相位差為0°；V3=0。共模信號的電路如圖2所示。干擾信號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。在實際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號干擾會轉化為不易消除的串擾干擾。

3濾波器

濾波器可以抑制交流電源線上輸入的干擾信號及信號傳輸線上感應的各種干擾。濾波器可分為交流電源濾波器、信號傳輸線濾波器和去耦濾波器。交流電源濾波器大量應用在開關電源的系統中，既可以抑制外來的高頻干擾，還可以抑制開關電源向外發送干擾。來自工頻電源或雷擊等瞬變干擾，經電源線侵入電子設備，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），它們能夠改善電路的濾波特性，恰當地設計和使用濾波器是抗干擾技術的重要手段。例如開關電源通過傳導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的兩個線圈繞向一致，當電源輸入電流流過LC時，所產生的磁場可以互相抵消，相當于沒有電感效應，因此，它使用磁導率高的磁芯。LC對共模噪聲來說，相當于一個大電感，能有效地抑制共模傳導噪聲。開關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的電容CX對共模噪聲起抑制作用。R為CX的放電電阻，它是VDE?0806和IEC?380安全技術標準所推薦的。圖3（b）中各元件參數范圍為：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值，如電流為25A時LC=1.8mH；電流為0?3A時，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電源的工作頻率。

圖1差模信號

圖2共模信號

圖3 濾波器結構圖

圖4改進后的濾波器

圖4所示的濾波器可進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等級用于設備的峰值電壓大于1?2kV場合，X2類用于設備峰值電壓小于1.2kV的一般場合。另外，通過限制CY的容量可達到控制在規定電壓頻率作用下，流過該電容器漏電流的大小。若為裝設在可移動設備上的濾波器，其交流漏電流應低于1mA，若為裝設在位置固定且接地的設備上的濾波器的交流漏電流應小于3?5mA，再根據漏電流Ii的要求計算CY的容量，其關系式為：

Ii=2πfCYU

式中：f——電源頻率；

U——電源供電電壓。

LD是用來進一步抑制差模噪聲的差模扼流圈。因為LD的引入將使電容CX充電電流減少，達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，在其安裝布線中應注意以下幾點：

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

（2）電源濾波器的外殼必須用截面積大的導線以最短的距離與機殼連為一體，并盡量使電源濾波器的接地點與機殼接地點保持最短的距離，輸入輸出線應靠近機殼底部布線以減少耦合，并將輸入輸出線嚴格分開，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，當干擾頻率達到數兆Hz以上時，這時輸入輸出線會相互耦合而降低其對高頻干擾信號的衰減效果。插座式交流電源濾波器從結構上實現了輸入輸出的隔離，對某些直接用機殼做屏蔽的電子設備來說，是一種較理想的抗干擾元件。濾波器輸出線應采用雙絞線或屏蔽線，其屏蔽應可靠接地。

（3）機殼內的其它用電器（照明燈、信號燈等）或電磁開關等應從濾波器前端引線接到負載，或為這些干擾源單獨加裝濾波器。