共模和差模信号与滤波器

摘要：本文阐述了共模、差模信号的关键特性及其抑制方法，介绍了滤波器的工作原理和其应用电路。

关键词：共模信号  差模信号  滤波器

1.概述

随着微电子技术的发展和应用，电磁干扰已成为研究微电子装置安全、稳定运行的重要课题。产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元，而抑制电磁干扰就是破坏这三个条件中的一个。抑制电磁干扰采用的技术主要包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等，而干扰源的传播途径分为传导干扰和辐射干扰传导燥声的频率范围很宽，从10KHz——30MHz，我们虽然知道产生干扰源的原因，但从效率上讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好的方法。为此了解共模和差模信号之间的差别，对正确理解脉冲磁路和工作模块之间的关系是致关重要的，在抑制电磁干扰的各项技术中，采用滤波技术对局域网（LAN）、通信接口电路、电源电路中减少共模干扰起着关键作用。所以掌握滤波器的工作原理和其实用电路的结构及其正确的应用，是微电子装置系统设计中的一个重要环节。

2.差模信号和共模信号

差模信号又称为常模、串模、线间感应和对称信号等，在两线电缆回路，在它的终端接有负载阻抗。每一线对地电压用符号V₁和V₂来表示。差模信号分量是V_DIFF。纯差模信号是：V₁=-V₂；其大小相等，相位差180⁰；V_DIFF=V₁-V₂因为V₁和V₂对地是对称的，所以地线上没有电流流过，差模信号的电路如图1所示。所有的差模电流（I_DIFF）全流 负载。差模干扰侵入往返两条信号线，方向与信号电流方向一致，其一种是由信号源产生，另一种是传输过程中由电磁感应产生，它和信号串在一起且同相位，这种干扰一般比较难以抑制。

共模信号又称为对地感应信号或不对称信号，共模信号分量是V_COM，纯共模信号是：V_COM=V₁=V₂；大小相等，相位差为0⁰；V₃=0。共模信号的电路如图2所示。干扰信号侵入线路和地线之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路；原则上讲，这种干扰是比较容易消除的。在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。

3.滤波器

    滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰瞬、变干扰信号及信号传输线上感应的各种干扰，滤波器可分为交流电源滤波器、信号传输线滤波和去耦滤波。交流电源滤波器大量应用在采用开关电源的系统中，加装交流电源滤波器后，一方面可以抑制外来的高频干扰，还可以抑制开关电源向外发送干扰。来自工频电源或雷击等瞬变干扰，经电源线的传导及直流电源侵入电子设备，这种干扰以共模和差模方式传播，可用电源滤波器滤除，在滤波电路中，有很多专用的滤波元件（如铁氧体磁环），它们能够改善电路的滤波特性，恰当地设计和使用滤波器是抗干扰技术的重要手段。例如开关电源通过电源引线、辐射出的燥声有差模和共模之分，差模燥声抑制中采用的开关电源滤波器为π型滤波器，如图3（a）所示。图3（a）中，L_D为滤波扼流圈。

若要对共模燥声有抑制能力，应采用如图3（b）所示的滤波电路。图3（b）中，Lc为滤波扼流圈。由于Lc的两个线圈绕向一致，当电源输入电流流过Lc时，所产生的磁场可以互相抵消，相当于没有电感效应，因此，它使用导磁率高的磁芯。Lc对共模燥声来说，相当于一个大电感量的电感，故它能有效的抑制共模传导燥声。开关电源输入端分别对地并接的电容C_Y对共模燥声起旁路作用。共模扼流圈两端并联的电容C_X对共模燥声起抑制作用。R为C_X的放电电阻，他是VDE—0806和IEC—380安全技术标准所推荐的。图3（b）中各元件参数选择范围为：C_X=0.1—2μF；C_Y=2.2—33nF；Lc=几—几十Mh，随工作电流不同而取不同的参数值，如电流为25A时Lc=1.8mH；电流为0.3A时，Lc=47mH。另外在滤波器元件选择中，一定要保证输入滤波器的谐振频率低于开关电源的工作频率。

图4所示的滤波器可进一步提高差模燥声的抑制能力。C_X电容器接在单相电源线的相线和零线之间，它上面除加有电源的额定电压外，还会叠加上相线和零线之间存在的各种电磁干扰峰值电压，为保证电容器失效后，不会导致工作人员遭电击，不危机人身安全，并考虑到应用中最坏的情况，C_X安全等级分为两类，即X₁和X₂类，X₁等级用于设备的峰值电压大于1.2KV场合，X₂类用于设备峰值电压小于1.2KV的一般场合。另外，通过限制C_Y的容量可达到控制在规定电压频率作用下，流过该电容器漏电流的大小。若为装设在可移动设备上的滤波器，其交流漏电流应低于1mA；若为装设在位置固定且接地的设备上的电源滤波器的交流漏电流应小于3.5mA，再根据漏电流Ii的要求计算C_Y的容量，其关系式为：

Ii=2πf C_YU

F——电源频率

U——电源供电电压

L_D是用来进一步抑制差模燥声的差模扼流圈。因为L_D的引入将使电容C_X充电电流减少，达到了抑制差模燥声的目的。

4.滤波器的安装与布线

交流电源滤波器的安装及布线对滤波器的性能发挥是极为重要的，在其安装布线中应注意以下几点：

4.1.滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽量近的部位，并加以绝缘垫板，不要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回，如果交流电源进入机壳内到电源滤波器有较长的距离时，则这段线应加以屏蔽。

4.2.电源滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一体，并尽量使电源滤波器的接地点与机壳接地点保持最短的距离，输入输出线应靠近机壳底部布线以减少耦合，并将输入输出线严格分开，绝不允许将滤波器的输入线和输出线捆扎再一起或靠得很近，否则，干扰频率达到数兆赫兹以上，这时输入输出线会相互耦合而降低其对高频干扰信号的衰减效果，插座式交流电源滤波器从结构上实现了输入输出线的隔离，对某些直接用机壳做屏蔽的电子设备来说，是一种较理想的抗干扰器件。滤波器输出线应采用双绞线或屏蔽线，其屏蔽线应可靠接地。

4.3.机壳内的其它用电器（照明灯、信号灯等）或电磁开关等应从滤波器前端引线接到负载，或为这些干扰源单独加装滤波器。