共模和差模信號與濾波器

1概述

隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)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(shù)主要包括濾波技術(shù)、布局與布線(xiàn)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干擾和輻射干擾。傳導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(guò)控制脈沖的上升與下降時(shí)間來(lái)解決干擾問(wèn)題未必是一個(gè)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(guān)系是至關(guān)重要的。在抑制電磁干擾的各項技術(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(zhù)關(guān)鍵作用。所以掌握濾波器的工作原理和其實(shí)用電路的結構及其正確的應用，是微電子裝置系統設計中的一個(gè)重要環(huán)節。

2差模信號和共模信號

差模信號又稱(chēng)為常模、串模、線(xiàn)間感應和對稱(chēng)信號等，在兩線(xiàn)電纜傳輸回路，每一線(xiàn)對地電壓用符號V1和V2來(lái)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(chēng)的，所以地線(xiàn)上沒(méi)有電流流過(guò)，差模信號的電路如圖1所示。所有的差模電流（IDIFF）全流過(guò)負載。差模干擾侵入往返兩條信號線(xiàn)，方向與信號電流方向一致，其一種是由信號源產(chǎn)生，另一種是傳輸過(guò)程中由電磁感應產(chǎn)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(chēng)為對地感應信號或不對稱(chēng)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(xiàn)路和接地之間，干擾電流在兩條線(xiàn)上各流過(guò)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(xiàn)路阻抗不平衡，使共模信號干擾會(huì )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(xiàn)上輸入的干擾信號及信號傳輸線(xiàn)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(xiàn)濾波器和去耦濾波器。交流電源濾波器大量應用在開(kāi)關(guān)電源的系統中，既可以抑制外來(lái)的高頻干擾，還可以抑制開(kāi)關(guān)電源向外發(fā)送干擾。來(lái)自工頻電源或雷擊等瞬變干擾，經(jīng)電源線(xiàn)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(zhuān)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，恰當地設計和使用濾波器是抗干擾技術(shù)的重要手段。例如開(kāi)關(guān)電源通過(guò)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(gè)線(xiàn)圈繞向一致，當電源輸入電流流過(guò)LC時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以互相抵消，相當于沒(méi)有電感效應，因此，它使用磁導率高的磁芯。LC對共模噪聲來(lái)說(shuō)，相當于一個(gè)大電感，能有效地抑制共模傳導噪聲。開(kāi)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(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(kāi)關(guān)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(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(xiàn)和零線(xiàn)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(lèi)，即X1和X2類(lèi)，X1等級用于設備的峰值電壓大于12kV場(chǎng)合，X2類(lèi)用于設備峰值電壓小于1.2kV的一般場(chǎng)合。另外，通過(guò)限制CY的容量可達到控制在規定電壓頻率作用下，流過(guò)該電容器漏電流的大小。若為裝設在可移動(dòng)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35mA，再根據漏電流Ii的要求計算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(lái)進(jìn)一步抑制差模噪聲的差模扼流圈。因為L(cháng)D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(xiàn)

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

（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(jīng)過(guò)濾波器的電源線(xiàn)在機柜內迂回，如果交流電源進(jìn)入機柜內到電源濾波器之間有較長(cháng)的距離時(shí)，則這段線(xiàn)應加以屏蔽。

（2）電源濾波器的外殼必須用截面積大的導線(xiàn)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(diǎn)與機殼接地點(diǎn)保持最短的距離，輸入輸出線(xiàn)應靠近機殼底部布線(xiàn)以減少耦合，并將輸入輸出線(xiàn)嚴格分開(kāi)，絕不允許將濾波器的輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)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(shí)，這時(shí)輸入輸出線(xiàn)會(huì )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(shí)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(lái)說(shuō)，是一種較理想的抗干擾元件。濾波器輸出線(xiàn)應采用雙絞線(xiàn)或屏蔽線(xiàn)，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(kāi)關(guān)等應從濾波器前端引線(xiàn)接到負載，或為這些干擾源單獨加裝濾波器。