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村田噪声抑制基础教程-第五章 导体传导和共模

已有 581 次阅读2014-11-16 23:43 |个人分类:技术分享| 关键词: EMC, 电磁兼容

5-1. 简介

前4章参照相对简单的模型介绍了噪声产生,噪声传输到天线及天线发射噪声的机制。但是,在实际噪声抑制措施中,噪声源很少会直接连接到天线。很多情况下,在普通模式中产生噪声,然后被转换为共模。之后,噪声通过电子设备的接地传输,并通过电缆或屏蔽罩作为天线进行发射。因此,需要在噪声传输路径中考虑普通模式到共模的转换。

在接收噪声时则情况相反。许多噪声往往是在共模侵入的,但是,当电路出现故障或被破坏时,最终会变成普通模式。在这种情况下,从共模转换为普通模式就是一个问题。由于噪声发射和接收机制相同,为了便于解释,我们仅着重于噪声发射。

如图5-1-1所示,本章节首先介绍了噪声通过导体传输存在的两种模式(共模和普通模式),然后介绍了普通模式到共模的转换。普通模式常常表现为差模。不过,为了避免与差分信号混淆,本课程中将其称为噪声的普通模式。

由于共模噪声是一个复杂的概念,为简化具体阐释,本章的描述部分基于我们独到的诠释。有关准确和详细概念,请参考技术资料 [参考文献 1,2,3]。

第5章将要介绍的内容图5-1-1 第5章将要介绍的内容

5-2. 噪声的导体传导

由于噪声是一种电能,如果连接了导体,噪声就会通过导体传导。但是,如果导体构成一个类似电缆的集束,可通过两种不同的方式解释噪声传导: 共模和普通模式。其中,共模会导致很强的无线电波发射和接收,并且具有复杂的机制,常常对工程师进行噪声抑制造成问题。

本章节将首先解释共模和普通模式,然后介绍消除噪声的EMI静噪滤波器的基本结构。共模的产生将在下一个章节解释,因为它涉及一个特殊概念。

5-2-1. 共模噪声

(1) 电缆作为天线发射噪声的示例

图5-2-1中的测试再现了电子设备噪声抑制中经常出现的情形。

通过接口电缆连接电子设备(噪声抑制前),测量电缆作为天线发射的噪声。如果没有电缆,噪声电平非常低,如图5-2-1(a)所示。但是,连接了电缆时,在100MHz到300MHz的频率范围内噪声增加,如图5-2-1(b)所示。

可以这样理解: 在此状态下,电子设备发射的噪声从连接器传导至接口电缆,然后以电缆作为天线进行发射。

电子设备电缆发射噪声的示例图5-2-1 电子设备电缆发射噪声的示例

(2) 研究传导噪声的线路

电缆内有多根导线。那么,在图5-2-1的测试中,传导噪声的是哪根导线?

一般而言,接口电缆包括接地线,电源线和信号线等。图5-2-1的情况实际上是屏蔽电缆,噪声也可能通过屏蔽传导。因此,将具有与接口电缆相同形状的单根导线连接至相应线路相连的连接器内的端子,然后测量噪声。测量结果如图5-2-2所示。在此我们选择了速度相对较低的信号线作为代表。

参照图5-2-2的结果可以得知,虽然多少有些不同,但无论连接哪条线路,都会发射几乎与图5-2-1(b)所示趋势相同的噪声。当如图5-2-2(d)所示连接到屏蔽接地时,也会发射噪声。

图5-2-2中的结果表明,无论电缆连接到连接器内的哪个端子,都会引起共同的噪声。如上所述,通过电缆内导线共同传导的噪声被称为共模噪声。

研究每根线路发射成分的结果图5-2-2 研究每根线路发射成分的结果

(3) 叠加到接地的噪声也被称为共模噪声

相反,电路的接地一般为电压的基准点,也就是发射噪声最少的地方。如果如图5-2-2(c),(d)所示噪声叠加到接地,同样的噪声将叠加到电源和信号。因此,叠加到接地的噪声有时也被称为共模噪声。

尽管共模噪声是噪声抑制要处理的一个常见问题,但却是有着复杂概念和机制且难以从逻辑上解释的成分。首先本章节将介绍共模的成分是如何传输的,然后下一个章节将介绍导致共模噪声的机制。

5-2-2. 噪声传导的两种模式

(1) 共模和普通模式

电路以电流沿路径流动一周为基础。如果按图5-2-3(a)所示截取电路的一部分作为电缆,电缆有两根导线,分别供电流进入和流出。相同大小的电流以相反的方向相互流动。因此,总和始终为零。这种电流流动的方式被称为普通模式。

相反,电流可能在电缆内的线路中以相同方向流动,如图5-2-3(b)所示。这种方式被称为共模。共模是电流的一个成分,不管什么形状的线路都承受相同电压,电流在图中向同一方向流动。从图中可得知,此电流是经由地线所保持负载的浮动静电容量泄漏的电流所导致,然后经过地线回到噪声源。(电流也可能是负载和噪声源之间的直接连接所导致而不经过地线)

共模和普通模式图5-2-3 共模和普通模式

(2) 线路很多时

即使电缆内有很多导线共用接地,使电路变得复杂,只要没有绕路或者电流泄漏,整个电缆中电流总和就会为零,如图5-2-4(a)所示。这种状态也被称为普通模式。如果如上所述有很多线路,每根线路的电流大小不一定要相同。

图5-2-4(b)展示了共模应用于相同电路的电流。在这种情况下,导线电流的方向与参照地线的相应电压的方向相同。这就意味着共模下线路电压为零。因此,共模噪声具备难以用示波器等一般测量设备来观测的特性。

最终,每条线路上流过的电流为普通模式和共模的总电流。尽管我们能根据图示清楚地描述,但通常很难从每条线路上流过的电流中区分这2种。因此,通过观察方法来推测噪声模式对于抑制噪声是很重要的。

线路很多时图5-2-4 线路很多时

5-2-3. 普通模式和差模

(1) 普通模式也称为差模

如图5-2-3所示两条线路上的普通模式有时也称为差模。因为此处讨论的情况也包括线路很多时的情况(如图5-2-4),我们通常称之为普通模式,只有在特指一对电线时(如差分信号),才称其为差模。

(2) 普通模式也用于电路运行

除了噪声传导之外,普通模式和共模也用于电路运行和信号传输。通常,普通模式用作图5-2-3中的信号源。

近年来,差分信号已经用于很多传输高频信号的电路。正如其名,差分信号就是通过差模(普通模式)传输信号。但是,因为其它信号有时叠加到传输,共模也可能叠加使用。在这种情况下,电缆需要进行屏蔽,才能防止共模被发射并转化为噪声。

5-2-4. 噪声发射的影响

(1) 普通模式噪声发射

当噪声通过电缆传导时,普通模式会导致非常少量的噪声发射。这是因为前进电流和回流电流分别形成的磁场在观察点处相互抵消,如图5-2-5所示。为减少发射,电缆区域可采用双绞线或屏蔽电缆。

电缆连接的印刷电路板有着更宽的导线间距,如图5-2-5所示。在这里,前进电流和回流电流的抵消作用被减弱,线路像一根环形天线一样。因此,尽管是普通模式,还是会从此区域发射出对应于环形区域的噪声。

即使电缆尚未连接,如图5-2-6所示运行电路的电流为普通模式,构成电路的线路形成一个环路天线,以同样方式产生的噪声发射。因此,为减少印刷电路板发射的噪声,需要设计图案形状以缩小电流环路面积。采用了多层线路板的接地层可减小电流环路的面积,因为电流可以直接在信号线下方回流。

普通模式电流的发射图5-2-5 普通模式电流的发射

电路电流形成环路天线图5-2-6 电路电流形成环路天线

(2) 共模噪声发射

与普通模式不同,当噪声在共模下通过电缆传导时,不会获得抵消效应。如图5-2-7所示,相应电流形成的电磁场在测量点处相互增强。在同样的电流流动下,共模发射的无线电波远远强于普通模式(可能强1000倍左右)。因此,抑制共模电流对于减少噪声发射非常重要。

共模电流通常经由浮动静电容量流动(如图5-2-7所示),由于其阻抗高,在低频范围内电流不会很大。但是,在高频范围内,整个结构作为天线,共模产生的发射可能会很强,因为阻抗降低,电流很容易流动。

此外,普通模式电流是用于电路运行的电流模式,不可能通过滤波器完全消除。相反,共模通常是不必要的成分,因而可以根据需要通过滤波器消除。静噪滤波器的结构将在后文讲述。

共模噪声的发射图5-2-7 共模噪声的发射

5-2-5. 静噪滤波器的结构

(1) 通过电容器和电感器组成低通滤波器

一般而言,使用电容器(C)和电感器(L)在作为噪声传输路径的电缆的中间及连接点组成一个低通滤波器,以便阻止噪声传导。第6章将详细介绍低通滤波器,因此本章只是解释基本滤波器结构。

(2) 普通模式用滤波器

如图5-2-8所示,可在线路中加入一个电容器并串联阻抗元件(扼流线圈或铁氧体磁珠等)组成普通模式用滤波器。

普通模式噪声电流的方向与电路运行中电流的方向一致。因此,通过滤波器消除噪声时,也会同时消除电路运行所需的一些成分。通过调整L和C的值,使低通滤波器的截止频率不会消除电路运行所必须的成分。

此外,如图5-2-8所示,如何使用阻抗元件随着电路和电缆情况而变化。如果所有线路都像商用电源线一样以接地为参照漂浮布置,电路会被视为平衡电路,两条线路都会使用阻抗元件。为此,需要保持平衡,使阻抗相同。

如果一侧接地,例如在数字电路中,电路会被视为不平衡电路,通常接地不会使用阻抗元件。但是,如果接地感应到噪声(也就是说感应到共模噪声),也可在接地侧使用阻抗元件。

在此,“平衡”和“不平衡”指的是在传导普通模式时如何参照地线保持电压。如果电压平衡地施加于两条线路,则可以称之为平衡; 如果电压集中在一条线路上,则称之为不平衡。不平衡电路的另外一条线路是接地线,几乎不承受任何电压。

普通模式用滤波器结构的示例图5-2-8 普通模式用滤波器结构的示例

(3) 共模用滤波器

如图5-2-9所示,将电容器连接到接地(称为Y电容器),组成一个共模用滤波器。应当尽可能地使用共模扼流线圈作为阻抗元件。如果电缆中有很多导线,可以将电缆绕在铁氧体磁芯上或者将电缆夹在铁氧体磁心中,形成一种共模扼流线圈,如图5-2-10所示。共模扼流线圈将在下一章中详细介绍。

产生共模噪声时,噪声可能会出现在与Y电容器相连的接地上。这时,Y电容器的效果减弱,因为Y电容器没有连接到合适的接地。

在这种情况下,需要单独构建与Y电容器相连的接地点。如图所示,接地的线路用于构成噪声源噪声的返回路径。

共模用滤波器的基本结构图5-2-9 共模用滤波器的基本结构

使用铁氧体磁芯的共模扼流线圈图5-2-10 使用铁氧体磁芯的共模扼流线圈

(4) 适用于共模和普通模式的滤波器

商用电源线使用的静噪滤波器通常针对共模和普通模式的混合噪声提供措施,因而包括可以处理两种模式的滤波器。图5-2-11所示为典型的电路结构[参考文献 4]。此例展示了作为阻抗元件的共模扼流线圈。但是,如果普通模式噪声很强,阻抗可能会不足,因此在使用滤波器时,可以针对普通模式增加一个扼流线圈。

用于消除共模和普通模式的滤波器结构图5-2-11 用于消除共模和普通模式的滤波器结构

5-2-6. 滤波器静噪的示例

(1) 通过商用电源线传导的噪声

尽管图5-2-1给出了测量电子设备接口电缆所发射噪声的示例,但是相对较低频率范围内的噪声传导却成为电子设备电源线面临的一个问题。在电源线中,共模和普通模式也是问题所在。

开关电源是发射噪声到电源线的典型噪声源之一。图5-2-12给出了测量开关电源噪声的示例。

交流电源线上的噪声测量使用了一种探针,用于测量如图5-2-12(a)所示电源线上的LISN(Line Impedance Stabilizing Network: 线路阻抗稳定网络)噪声,并测量通过电源线传导的噪声。此处,在去除内置于开关电源静噪滤波器的情况下进行测试。测量的频率范围为150kHz到30MHz,使用了频谱分析仪测量峰值。

如图5-2-12(b)的测量结果所示,在150kHz的整数倍处观察到了强烈的噪声; 150kHz是开关电源的开关频率。因为图表中的频率轴为对数,在超过1MHz的高频率范围内噪声间隔似乎更小。但是,仔细观察就会发现,这个范围内的间隔也是150kHz。

测量开关电源噪声的示例图5-2-12 测量开关电源噪声的示例

(2) 噪声模式的分离

图5-2-12中所示的测量结果表示了每条线路到接地的电压。尽管测量结果显示为Va和Vb,但在两条线路上观察到了几乎相同电平的噪声。这就是观察共模和普通模式的混合。通常噪声规定会设定一个电压限值。

如果您使用特定的LISN(如支持CISPR 16的LISN),可以分别观察到噪声中的共模和普通模式。图5-2-13显示了从图5-2-12的测量结果中分离出来的结果。在图中,Sym(对称)表示普通模式,而Asym(不对称)表示共模。

图5-2-13的测量结果表明,普通模式在开关电源的较低频率范围内更强,而共模在较高频率范围内更强。这种趋势在开关电源中很常见。

分离共模和普通模式进行测量的示例图5-2-13 分离共模和普通模式进行测量的示例

(3) 验证静噪滤波器的效果

图5-2-14展示了验证图5-2-11所示静噪滤波器的各个远件对于图5-2-13所示开关电源噪声的效果如何的结果。

图5-2-14(a)给出了连接图5-2-11所示所有组件时的测量结果。相比图5-2-13(b)中未使用这些元件时的测量结果,噪声得到了很好地抑制。

图5-2-14(b)到(d)显示了逐个减去图5-2-11所示静噪滤波器元件时的结果。可以得知,X电容器主要对普通模式有效,Y电容器主要对共模有效,而共模扼流线圈对两种模式都有效。因此,可以确定,对于消除本示例中所示普通模式和共模的混合噪声,这三个元件都是不可或缺的。

(4) 在完全消除噪声后减去某元件可轻易看出其效果

一般而言,即使逐个连接每个元件,也很难成功地观察到噪声抑制的效果,因为微弱噪声的任何改变都被强烈噪声所掩盖。因此,首先创建如图5-2-14(a)所示的噪声抑制状态,然后逐个减去各个元件,以便验证每个元件的效果,从而轻易判定每个元件的作用和必要性。这种方法不仅适用于检查传导的噪声,而且也适用于针对发射的噪声采取措施时验证各元件的有效性。

尽管可能出乎您的意料,但共模扼流线圈也在消除图5-2-14(c)普通模式中发挥了作用。这是因为共模扼流线圈包括了针对普通模式的较小电感。电源使用共模扼流线圈时,较小的电感有时会以这种方式对普通模式产生影响。共模扼流线圈解释中将介绍进一步的详细信息。

观察不同噪声滤波器的效果图5-2-14 观察不同噪声滤波器的效果

5-2-7. 差分信号的共模噪声

(1) 差分信号的传输

近年来,差分信号更加普遍地用于高速数字传输,如USB等。差分信号包含共模噪声,但与之前所解释的稍有差别。
差分信号向1对线路的每条线路施加一个反相信号(如图5-2-15所示),接收器侧通过线路电压接收信号。如果这两个电流相互对称,电流成分只是普通模式,因此根据图5-2-5所示的机制会导致较小的噪声。

此外,如果从外侧接收到噪声感应,则不太可能受到影响。后文将会讲到,这是因为从外侧感应到电缆的噪声为共模,不会导致接收器的线路之间存在任何电压。

差分信号的信号波形图5-2-15 差分信号的信号波形

(2) 差分信号中产生的共模噪声

但是,如果两条线路所传输信号有轻微的不平衡,则不平衡的成分会转变为共模。如图5-2-16所示,导致不平衡的因素包括:

  • 上升或下降的时间偏差
  • 上升和下降的速度偏差
  • 电压或电流的大小偏差
  • 叠加的共模噪声

您可能会说(a)到(c)是形成信号波形时出现的问题而不是噪声问题(称为信号完整性: SI)。了驱动器,接收器的IC原因以外,还可能是因为导线长度的差别,导线弯曲或者终端电阻器阻抗的差别导致信号波形产生不平衡。如上所述,观察到因信号波形不平衡导致的共模噪声,其形式为噪声频谱中信号频率的谐波。

(d)常出现于外部噪声施加到驱动器,接收器的电源及接地时。尽管噪声可能看似信号谐波,但却会在与信号频率完全不相关的频率处产生。

如果这些成分通过电缆传导,共模电流流过,则会成为噪声发射的原因。

导致共模的因素图5-2-16 导致共模的因素

(3) 如何抑制差分信号中的噪声

如图5-2-17所示,共模扼流线圈用于阻止这样的共模电流,并抑制图5-2-16(a)到(c)中信号波形的不平衡。通常用在驱动器侧。但是,如果噪声在接收器侧产生,也可用在接收器侧。

此处使用的共模扼流线圈要选择能轻微衰减差模的元件,使其不会给差分信号造成负面影响。

除了共模扼流线圈,也使用屏蔽电缆来抑制差分信号中的噪声。信号对区域可使用两根同轴电缆。

对于图5-2-16(d)中的噪声,信号对区域也可使用共模扼流线圈或屏蔽。但是,如图5-2-17所示针对驱动器或接收器IC的电源使用EMI静噪滤波器更加有效。

针对差分信号使用共模扼流线圈图5-2-17 针对差分信号使用共模扼流线圈

5-2-8. 噪声接收和模式转换

(1) 噪声在被电缆接收时变成共模

前面讲述了电缆发射噪声的情况。与此相反,当电缆接收噪声时,一般意味着电缆内的导线在共模下感应到了噪声,如图5-2-18。

如果是共模,线路电压为零; 如果信号如图所示被线路电压接收,则电路可以正常运行。因此,即使电缆接收了噪声,只要接收器通过电压运行,就不会造成噪声干扰。

噪声感应到电缆图5-2-18 噪声感应到电缆

(2) 噪声模式的转换

但是,在现实世界中,当噪声进入电缆时,会产生各种干扰。以前的一个例子是,无线电波进入电话线导致无线电广播干扰电话声音。为什么会出现这种干扰?

在很多情况下,共模在电缆到电路的连接点处转换为普通模式。如果每条线路(Z1)的阻抗与地线(Z2)的阻抗存在差异(图5-2-19(a)),就会造成接收器所接收共模电压的差异,进而导致线路之间的噪声电压。在这种情况下,可以说共模被部分转换为普通模式 [参考文献 1]。

(3) 不平衡终端阻抗导致模式转换

Z1和Z2并不意味着这些元件实际存在,它们仅表示浮动静电容量等形成的阻抗。因此,如果这些位置连接了终端电阻器,且其阻抗已经提前调整为一致,则可能会减少普通模式的转换。

如图5-2-19(b)所示,如果信号被一侧已接地的电路接收,一半的噪声将会转换为普通模式。这就意味着噪声可轻易进入不平衡的接收器电路,如数字电路。将电缆连接到这样的电路时,就需要一个滤波电路;滤波电路将在后文中讲述。

(4) IC内可能发生模式转换

即使不发生到普通模式的转换,如果共模很强大,也可在接收器IC内转换为普通模式。IC消除共模的性能由指数CMRR(Common-Mode Rejection Ratio: 共模抑制比)来表示。

为防止转换为普通模式,终端电阻器的值如图所示相互匹配,以确保阻抗之间对接地不会造成任何偏差。此外,要为接收器选择CMRR较高的IC。

共模转换为普通模式图5-2-19 共模转换为普通模式

(5) 防止模式转换

当平衡电缆,如电话线、LAN电缆及电源线等连接到电路时,噪声模式可以如图5-2-19(b)所示轻易转换,因为很多电子电路都是不平衡电路。若要防止这种情况,有如下两种方法:

  • 使用平衡-不平衡变压器或者共模扼流线圈等提供平衡与不平衡间的转换,以保持阻抗平衡。
  • 通过静噪滤波器消除产生的普通模式噪声。
  • 是在电缆和电路间加入平衡-不平衡转换电路的方法,如图5-2-20(a)和(b)所示。这样的电路用于连接通信电缆
  • 使用了电容器和阻抗元件(铁氧体磁珠),如图5-2-20(c)。尽管这只是权宜之计,但可以通过相对便宜的元件消除噪声干扰。

防止噪声接收的连接示例图5-2-20 防止噪声接收的连接示例

5-2-9. 共模和普通模式的特征

(1) 普通模式噪声的产生取决于电路运行

当电路运行时,电流在普通模式下流动。因此,电路运行自然而然地产生普通模式噪声。例如,打开和关闭电源开关造成的浪涌,或者数字信号中包含的谐波成分,在产生后就会立即导致普通模式。

这可以理解为,当噪声传输路径中电流出现轻微不平衡时,成分以共模的形式出现。

(2) 屏蔽对共模噪声可能无用

若要使屏蔽(特别是静电屏蔽)发挥作用,就需要连接到接地。但是,如果产生共模噪声,噪声通常也会越过屏蔽的接地。因此,共模电流也会流经屏蔽并从作为天线的屏蔽发射噪声。

前已述及,将屏蔽连接到传导共模的接地无法屏蔽噪声。若要使屏蔽发挥作用,首先就需要搭建可靠的接地。这就是非常难以抑制共模噪声的原因。

(3) 如何屏蔽共模噪声

若要搭建使屏蔽发挥作用的可靠接地,就要建立起屏蔽罩将噪声源和浮动静电容量围住(图5-2-21),然后屏蔽罩本身作为接地。(这被称为“法拉第笼”)

这时,共模电流的回流路径经过屏蔽而不是大地。在这种状态下,可以认为共模噪声已经被消除了。这是因为观察整个电缆(包括屏蔽)时,总电流变为零。

尽管这种屏蔽结构是理想的,但一般会规模较大且价格不菲。

可以消除共模的屏蔽结构示例图5-2-21 可以消除共模的屏蔽结构示例

(4) 共模连接到哪里?

关于图5-2-3(b)中共模噪声源或浮动静电容量的连接点,不必在电路内布置一个特定的连接点。但是,因为接地通常是电路中最大部分且会成为电压基准点,可以考虑将其连接至接地。

因此,在接地对大地有电压的状态下,可以说共模噪声被感应了。

(5) 观察共模和普通模式

通过使用能够抓牢整个电缆的电流探针,可以确定共模噪声是否在电缆中流动。普通模式电流不会造成电流探针有任何输出。

相反,共模噪声的线路电压始终为零。因此,使用差动探针测量线路电压时,探针通过排除共模测量普通模式电压。

5-3. 共模噪声产生

如章节5-2.所述,当噪声通过电缆传输时,成分中有普通模式和共模。同时也表明,噪声电压的产生以及电子设备接地中噪声电流的流动被称为共模噪声。

在本章节中,我们将着重于接地中噪声的产生,并研究产生共模噪声的一些机制。

在实际电子设备中,产生共模噪声的机制非常复杂。因此,不能通过简单的模型进行阐释。这里介绍的模型包括带有复杂数值的元件,如浮动静电容量,所以它们很难集成到设计中。

但是,了解这些机制对设计低噪声电子设备非常有用。

5-3-1. 产生共模噪声的示例

(1) 当电缆连接到时钟信号接地时

图5-3-1展示了当20MHz时钟信号通过5厘米MSL(微带线)传输时,在30MHz到1GHz的频率范围内和3米距离处测量噪声发射。图5-3-1(a)给出了仅使用一个基板的测量结果,而图5-3-1(b)给出了将两根25厘米电缆连接到接地的结果。据此可以推论,当电缆连接到接地时,整体长度为1/2波长频率(本例中为250MHz)附近,噪声发射增大。

因此,可以说将导体(如天线)连接到PCB的接地会增加噪声,这与章节5-2中图5-2-2所示的情形一致。换言之,可以认为共模噪声被此接地感应到了。

(图1中的测试使用了MSL两端均接地的基板。这并非常规MSL的结构。但是,本章节中还是称其为MSL。)

(2) MSL在接地中也有噪声

在本测试中,使用内置3V电池的3厘米×3厘米小型屏蔽罩内的振荡电路产生了时钟信号,以便中和除电缆和MSL以外元件所发射噪声的效果。此设备的外观如图5-3-1(c)所示。其中的信号发生器也在后续测试中被用作噪声源。

这里使用的MSL与理想信号线路类似。如图所示,基板正面和背面变成导通的接地层,从根本上防止接地中产生电压。这样可以假设噪声是由哪种机制产生的吗?如何抑制产生的噪声呢?

产生共模噪声的示例图5-3-1 产生共模噪声的示例

5-3-2. 电流驱动型模型

(1) 高接地阻抗高导致共模噪声

在第一个模型中,我们将研究为什么会因为高接地阻抗而在接地中产生电压。此模型被称为电流驱动型 [参考文献 5,6]

图5-3-2表明,当信号来回经过接地时,左右接地中因为接地阻抗产生了电压。噪声随着接地阻抗的变大而增强。而且,这种阻抗主要是由有接地模式的电感产生的。

(2) 接地线很细时

图5-3-2表明,当接地不是接地面而是很细的接地线时,接地电感增加。产生噪声也会增强。

图5-3-3给出了当图5-3-1中的MSL替换为接地较窄的基板时的测量结果。相比图5-3-1,可以发现噪声显著增强,而且噪声发射的速率远远超过了CISPR22的限值。此电平接近章节2-4(天线直接连接到数字电路)中得到的电平。这表明接地都可能成为一个主要的噪声源。

这种基板表示不良接地。同样地,噪声很多的接地可以被称为脏接地。

电流驱动模型图5-3-2 电流驱动模型

接地不良的基板发射噪声的示例图5-3-3 接地不良的基板发射噪声的示例

(3) 接地模式作为偶极子天线

这时我们可以假定连接到接地的电缆作为偶极子天线运作,如图5-3-4(a)所示。我们也可以认为,流经此天线的电流类似于图5-3-4(b)中所示的电流,其中一部分信号电流为形成绕路的成分,经过浮动静电容量却不直接经过信号线下面的接地。同样地,当电流在不同于原路径的路径上流动时,就会变成共模噪声的来源。

通过在旁路中加入电缆和接地,此模型可以扩展并变为类似于图5-3-5中的模型。图5-3-5中的模型解释了在电缆中流动的共模电流是如何产生的,参见章节5-2中图5-3-3(b)。

电流路径和接地发射噪声的示例图5-3-4 电流路径和接地发射噪声的示例

通过电缆传导共模电流的模型图5-3-5 通过电缆传导共模电流的模型

(4) 减少共模噪声

随着电流和接地阻抗的增加,电流驱动型中的共模噪声增强。因此,要抑制共模噪声,可以:

(i)降低接地阻抗

  • 接地线为平板状
  • 在基板下放置金属板(称为接地层)并加强接地
  • 靠拢接地与信号线(以增加信号线和接地之间的互感)
  • 缩短接地线路(缩短返回电流的路径,必须缩短信号线)

(ii)减少电流

  • 增加负载阻抗
  • 使用滤波器去除不需要的高频率范围成分

(i)中所述措施指的是加强接地。

但是,如图5-3-1中的简单测试所示,即使是在信号线下面使用具有稳定接地层的MSL,仍会产生少量的共模噪声。这是因为,只要没有极其大的接地面,就会产生细微的电感。

5-3-3. 电压驱动型模型

(1) 在无流动电流情况下产生噪声

在电流驱动型模型中,因为通过接地的电流流动而产生电压。因此,在没有流动电流时应该就不会产生噪声。但是,在真实电子设备中,即使信号线前面没有连接任何元件,也会频繁地产生共模噪声。换言之,即使没有电流流动,也会因施加到信号线上的电压而产生噪声。

例如,图5-3-1中的测试移除了负载(50Ω终端)。图5-3-6显示了阻止电流流经信号线时噪声的变化。(a)表示有负载的情形,而(b)表示无负载的情形。没有负载时,噪声减弱。但是,仍有220MHz噪声。这一点无法通过电流驱动型模型清楚地解释。

没有电流时产生噪声的示例图5-3-6 没有电流时产生噪声的示例

(2) 共模电流流经浮动静电容量

仍然存在的噪声可通过电压驱动型模型来解释。图5-3-7简化并描述了电压驱动型 [参考文献 5,6]

当两个平行导体连接到噪声源时,具有相同导体长度的部分成为传输线。即使导体前未连接任何元件,还是会有较少电流流经线路间的浮动静电容量CDM。但是,因为此电流为普通模式,噪声发射会减弱。

但是,如果其中一个导体变长,噪声源的一半电压会施加到该导体上。这会与另一个导体形成一种偶极子天线。电压驱动型模型允许使用从传输线突出的导体以这种方式形成天线。

这时,在天线中流动的电流会流经浮动静电容量Cant,如图所示。

电压驱动模型图5-3-7 电压驱动模型

(3) 接地越宽,共模电压越低

图5-3-7描述了这样一种机制: 如果将更长的线路作为数字电路的接地,共模电流会流经数字电路的接地(如图5-3-8(a)所示)。即使信号电流和接地阻抗都非常小,但由于信号线中存在电压(噪声源),于是产生了电流。

在这种情况下,关于接地中产生的共模噪声电压,应该作何考虑?通过改动图5-3-8(a)中的模型,各信号线和接地都应考虑朝向地线的浮动静电容量,如图5-3-8(b)所示。施加到此模型接地电容Cgnd的电压变成共模电压。

在图5-3-8(b)中,随着接地浮动静电容量Cgnd的增加(也就是说接地尺寸增大)而降低,信号线的浮动静电容量Csig的减小,共模电压变小。一般而言,如果增大接地尺寸来加强接地,共模噪声会减少。通过图5-3-8(b)所示模型就可理解这一点。

将电压驱动模型应用于数字电路的示例图5-3-8 将电压驱动模型应用于数字电路的示例

(4) 共模噪声流经电缆的机制

如果我们考虑将电缆接至这样的接地时,可发现共模电流会流经电缆(如图5-3-9所示)。可以假定此模型通过朝向地线的浮动静电容量回到噪声源。如果电缆这样连接到接地,一部分共模电流(如图5-3-8(a)中箭头所示)将流过比图5-3-9更大的路径。一般而言,将电缆连接到有噪声的接地会增加噪声发射的强度。此模型展示了这个现象背后的机制。

此模型解释了电缆中流动的共模电流是如何产生的,如章节5-2中图5-2-3(b)所示。为对应章节5-2中的图5-2-3,图5-3-8和图5-3-9中电流箭头的方向相反。但实质上是相同路线。

通过电缆传导的共模电流图5-3-9 通过电缆传导的共模电流

在电压驱动型模型中,即使电流不流经信号线或接地,且没有接地阻抗,只要信号线中存在电压(噪声源),共模电流就会流经浮动静电容量。

(5) 减少共模噪声

为有效减少电压驱动型中的共模噪声(接地中产生电压),需要增加Cgnd同时降低Csig也可以通过降低图5-3-7和图5-3-8中的Cant来减少噪声电流。下面是有效达到这个目的的具体方法:

(i)稳定接地电势

  • 扩大接地且为平板状(增加Cgnd
  • 靠拢信号线和接地(降低Csig
  • 缩短信号线,避免不必要的突出(降低Cant和Csig

(ii)降低电压

  • 降低驱动电压
  • 使用滤波器去除不需要的高频率范围
  • 在有浮动噪声源(散热器)时连接到接地

(iii)降低噪声源的浮动静电容量Cant

  • 避免误将有强烈噪声的元件靠近导线和金属。

 

大多数噪声抑制技术与电流驱动型模型中使用的技术一样。

(6) 通过加强接地抑制噪声

在如图5-3-1所示的噪声测试中,可以观察到同时连接了电流驱动型噪声和电压驱动型噪声。

无论采用哪种模型,降低和稳定接地阻抗都是非常重要的。例如,图5-3-10给出了通过将MSL的宽度延长到50毫米加强接地得到的噪声测量结果。如果您使用多层基板等搭建一个足够大的接地层,可通过这种方式抑制共模噪声。

通过加强接地抑制共模噪声图5-3-10 通过加强接地抑制共模噪声

(7) 使用EMI静噪滤波器抑制噪声

即使基板接地不良,也可以使用合适的EMI静噪滤波器消除噪声,从而抑制共模噪声。

图5-3-11给出了使用具有图5-3-3中不良接地的基板时在时钟信号(噪声源)中使用π型EMI静噪滤波器的示例。尽管此滤波器用于普通模式,但可以将其布置在噪声源后面(在转换为共模之前),从而有效抑制共模噪声。此时,还必须尽可能地降低噪声源和滤波器之间的接地阻抗。对于此测试而言,仅在噪声源和滤波器之间使用MSL。

如果能在真实电子设备中以这种方式找到噪声源,即使基板接地不良,也可使用普通模式EMI静噪滤波器来抑制噪声。

在接地不良的基板中使用滤波器抑制噪声图5-3-11 在接地不良的基板中使用滤波器抑制噪声

5-3-4. 需要考虑的接地结构

(1) 共模噪声少的接地

若要降低因电流驱动模型导致的共模噪声,降低接地阻抗是很重要的,这样信号返回电流才能顺畅流动。需要特别注意有返回电流流经包含高频成分的信号(如时钟信号)的接地。本章节概述了会造成很多问题的一些接地结构示例 [参考文献 7]

图5-3-12(a)是低噪声理想接地的示例。如图所示在信号线下方搭建一个接地层允许信号返回电流在信号线下方返回,这样能减少共模噪声。接地层覆盖整个IC,而不仅仅是信号线。

请注意图中展示了接地层,但是在多层基板中,电源层和接地层以相同方式工作。在下面容易产生噪声的例子中,也必须注意避免电源层采用此结构。

(2) 容易产生共模噪声的接地示例

图5-3-12(b)到(d)为容易产生噪声的接地结构示例。必须注意避免使用这样的结构。

图5-3-12(b)是接地线而不是接地层的情况。这种形态常见于非多层基板结构中,但是会产生较强的共模噪声,如图5-3-4的测试结果所示。

(3) 接地层有狭缝时

图5-3-12(c)为接地层上有狭缝凹口时的情形。如果所图所示多个狭缝在信号线下面重叠,将妨碍信号的返回电流,间隙的两端都会产生电压。尽管乍看之下好像有接地层,但这种结构忽略了接地层的作用。如果狭缝在信号线侧相互连接,如图5-3-13(a)所示,可以减少产生的噪声。

在这种结构下,当有着较多噪声的接地被分隔开时,或者在电源层次上搭建了多个电源层时,就容易产生噪声。布置具有较多噪声的信号线(如时钟信号),确保狭缝不会重叠。

(4) 穿过多个接地层时

图5-3-12(d)展示了信号线通孔穿过多层的状态。信号返回电流经过离信号线最近的层面,但是如果有多层,返回电流可能无法顺畅流动。图中显示信号线穿过接地和电源层时的状态,但是在穿过两个接地层时情况也相同。

当信号穿过多层基板正反面时,结构如图所示。若要抑制产生的噪声,两层(当如图所示其中一层为电源层时,有一个去耦电容器)之间必须在靠近信号通孔的地方相互连接,如图5-3-13(b)所示。

具有很多噪声的接地结构示例图5-3-12 具有很多噪声的接地结构示例

改进的接地结构示例图5-3-13 改进的接地结构示例

5-3-5. 当线路突出屏蔽时

(1) 当中心导体突出同轴电缆时

通过扩展电压驱动模型,如果电压施加到两个长度不同的导体,始终会产生共模电流。

例如,即使是使用被视为理想传输线的同轴电缆,如果线芯如图5-3-14一样突出,外侧导体会感应到共模电流,整个电缆会作为天线发射噪声。这也可被视为一种电压驱动模型。

图5-3-15给出了将20厘米同轴电缆连接到20MHz时钟信号及在中心导体端部外露3厘米时测量噪声的测试结果。这表明即使只外露了3厘米,也发出了很强的噪声。

当同轴电缆端部外露时的共模电流流动图5-3-14 当同轴电缆端部外露时的共模电流流动

当中心导体外突3厘米时噪声发射的变化图5-3-15 当中心导体外突3厘米时噪声发射的变化

(2) 整个屏蔽变成噪声的天线

图5-3-15(b)表明噪声发射的峰值出现在100到500MHz的较低频率范围内。中心导体外露长度为3厘米,λ/4处的频率为2.5GHz,因此表明这部分很难成为单极天线。

可以认为500MHz或更低频率主要是从更大尺寸的同轴电缆所发射的。如果认为同轴电缆中感应到了共模电流,如图5-3-14所示,就更容易理解同轴电缆成为天线的机制。

即使如章节4-3-16中图4-3-27所示短电缆从屏蔽罩突出,也可以将其视为与图5-3-14中的结构一样进行说明。但是,章节4-3-16中图4-3-27的示例又有所不同,因为共模电流包括在屏蔽罩中而不是图5-3-14的外侧导体中。

(3) 即使是小孔也会破坏屏蔽

本测试模拟了线路进出电子设备的屏蔽罩时的状态。如果线路如图5-3-16(a)所示进出屏蔽,即使线路只有几厘米长,也会导致屏蔽感应到共模噪声。在这种布局下,穿过线路的孔只有几毫米,屏蔽可能被破坏了。

为防止屏蔽罩感应到共模噪声,如图5-3-16(b)所示在线路经过屏蔽的地方安装一个EMI静噪滤波器,阻止噪声进出。

因线路经过屏蔽被破坏图5-3-16 因线路经过屏蔽被破坏

5-3-6. 公共阻抗噪声

(1) 公共阻抗导致的电路干扰

电路中多个电路共用电源和接地。尽管理想情况下电源和接地线路为零阻抗,事实上它们仍有着非常小的阻抗。公共阻抗噪声 [参考文献 2] 是指共用区域内的阻抗导致电路的部分电流影响其他电路的情况。公共阻抗噪声也是一种共模噪声模型。这与上述电流驱动模型不同,因为其中有多个电路,考虑的不是电感而是阻抗,且包含除了接地之外的其它线路。

例如,在图5-3-17中,从图中左侧供应电源以运行电路1和电路2。电路1和电路2共用电源与接地,且有着公共的阻抗Zp和Zg。

当较大电流流经电路1时,由于公共阻抗导致的电压下降,电源和接地电压发生改变。因此电路2接地和连接到此接地的电缆会产生共模噪声。

在图中,电路1被定义为噪声源,但即使电路2正在运行,也会在相同的效应下产生公共阻抗噪声。在这种情况下,噪声从电路2传输到电路1。

公共阻抗噪声图5-3-17 公共阻抗噪声

(2) 减少公共阻抗噪声

如图5-3-18所示,有多种方法可通过公共阻抗减少噪声,包括:

  • (a)使用较粗的线,以减少共用区域内的阻抗
  • (b)各电路使用独立的电源和接地线路,以消除共用区域
  • (c)使用去耦电容器限制电路1电流

(a)与章节5-3-2所述的电流驱动模型具有相同的噪声抑制效果。

(3) 各电路使用独立的电源和接地线路

(b)方法使用电源点作为基准点,且各电路连接独立的接地和电源线路。其中没有共用线路,消除了公共阻抗噪声。
例如,当需要控制较大电流的电路(如电机驱动电路)与在较弱信号上运行的电路结合时,就需要使用独立的电源和接地。

(4) 单点接地

在方法(b)中,接地线从基准点连接到各终端电路,被称为单点接地(更准确地说,这是因为并联连接形成的单点接地)。这个设计原则用于具有相对较低频率的模拟电路。

除了上述的减少共模阻抗噪声之外,单点接地也可防止因终端电势差异导致的不正确运行。有关单点接地的详细信息,请参考技术资料 [参考文献 3,8,9]

单点接地需要大量线路,这就意味着在制作如图5-3-18(b)所示的PCB时,由于空间的限制,线路宽度要减小。这会导致高频范围内阻抗增加。另外,在电路间传输信号时(例如从电路1传输到电路2),接地的设计,即信号返回路径会很困难。为此,该方法并不常用于数字电路。

(5) 去耦电容器

图5-3-18(c)展示了针对电源使用去耦电容器的方法。通过限制电路1和去耦电容器之间的高频范围电流,可以防止对电路2的干扰。

在电容器运行的高频范围内,去耦电容器是一种有效的方法。若要提高有效频率的下限,就需要增加电容器的静电容量。

为减少数字电路中的共模阻抗噪声,一般在通过增粗线路来降低接地阻抗后,使用一个去耦电容器,如图5-3-18(a)所示。

减少公共阻抗噪声图5-3-18 减少公共阻抗噪声

5-3-7. 连接具有不同平衡水平的传输线

(1) 平衡电路和不平衡电路

到现在为止,接地主要被描述为电压基准点,但是在数字电路等不平衡电路中,接地也会作为信号电流的返回路径。

一般而言,传输信号的传输线包括平衡电路和不平衡电路。这两种电路的区别在于相对于接地分配电压的方式,如图5-3-19所示。

图5-3-19展示了当线路电压为1V时接地电压的分配方式。在(a)平衡电路中,每条线路的电压为0.5V,但符号相反。相反,在(b)不平衡电路中,外侧导体电压为0V,而中心导体的电压为1V。如图所示,不平衡电路的特征在于总电压集中于中心导体,但外侧导体电压为0V。

平衡电路和不平衡电路图5-3-19 平衡电路和不平衡电路

(2) 连接具有不同平衡水平的电路

如图5-3-20所示直接连接两个电路,将平衡电路的一条线路连接到不平衡电路的接地,这意味着施加了一半的信号电压。接地中产生了电压并被转换为共模噪声 [参考文献 5]。此时,电路触点从普通模式转换为共模,反之亦然。这就是模式转换 [参考文献 1]

图5-3-21给出了三种情况下噪声发射的测量结果: 当20MHz时钟信号(a)连接到同轴电缆,(b)连接到平衡电缆和(c)在中间从同轴电缆变换为平衡电缆时。在各种情况下,电缆的长度均为50厘米。如图所示,如果中间不变换电缆,噪声发射的电平很低; 但如果变换了电缆,噪声发射显著增加。这是因为电缆触点处的平衡发生了变化,这种情况会引起共模噪声。

请注意,图5-3-21中噪声电平高于其它测试数据,因此纵轴也相应地改变了。

连接具有不同平衡水平的线路图5-3-20 连接具有不同平衡水平的线路

连接平衡电路和不平衡电路时的噪声发射示例图5-3-21 连接平衡电路和不平衡电路时的噪声发射示例

(3) 平衡-不平衡转化电路

这样连接平衡电路和不平衡电路时,通常使用一个被称为平衡-不平衡转化电路的不平衡变压器来防止模式转换 [参考文献 5]。图5-3-22给出了一个转化电路的示例。共模扼流线圈也可以大体上被视为平衡-不平衡转化电路。也常使用电阻网络或特定类型的谐振器。

根据图5-3-21(c)所示的测试,图5-3-23给出了在电缆连接点使用共模扼流线圈的示例。通过使用共模扼流线圈,将噪声发射抑制到约10到20dB的水平,以防止转换为共模。

平衡-不平衡转化电路的示例图5-3-22 平衡-不平衡转化电路的示例

使用共模扼流线圈抑制噪声的示例图5-3-23 使用共模扼流线圈抑制噪声的示例

5-3-8. 意外的平衡-不平衡连接

(1) 意外的连接导致模式转换

当连接信号或已经合理设计平衡的电缆(如同轴电缆或LAN电缆)时,将它们连接在一起很正常,这样才不会破坏平衡。但是,一般电路的结构不会考虑平衡,而且很多连接中可能会意外发生模式转换,如图5-3-20(a)所示。图5-3-24给出了常发生这种情况的一个示例。

(2) 扁平电缆或柔性板

如图5-3-24所示带接地层的印刷电路板或数字电路可以被视为相对而言完全不平衡的电路。将扁平电缆或柔性板连接到这样的电路时,如果电缆侧有最小接地的结构,可能就不会完全不平衡。

在这种情况下,流经电缆的部分普通模式信号会转换为共模,出现在电缆或电路板接地上并发射噪声。

(3) 电源电缆或音频电缆

在电源电缆、音频电缆和其它类似电缆中,电源线和接地线的数量基本相同。在结构上而言,这可以被视为平衡电路。当如图5-3-24所示连接到不平衡印刷电路板时,连接区域可能会发生模式转换。

一般而言,只有直流电流或低频会流经这些电缆,因此即使真的发生模式转换,也不会有什么问题。但是,当高频范围噪声流经这些电缆时,可能会因模式转换而产生共模噪声。例如,电源电缆发射开关电源的开关噪声。

在连接了类似这些平衡电路的电缆区域,安装一个适用于共模和普通模式的滤波器,无论是否发生模式转换,都可以消除噪声。

意外的平衡</div>
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