毕业设计：共模骚扰的成因与对策（定稿）.doc

共模骚扰的成因与对策刘萍，沙斐（北方交通大学抗电磁干扰研究中心，北京100044）摘要：共模骚扰往往是造成电子电气产品工作失灵或饰射发射测试超标的主要原因 它主要可以分为两种：一种是侵入设备的共模骚扰，另一种是从设备内部辐射出来的共模骚 扰侵入设备的共模骚扰主要由地环路引起，因此在设计上采用平衡电路或设法切断地环路 可以提高设备的抗干扰性能设备内的共模骚扰通过连接线向外辐射，相当于一副不对称振子天线，对以采用共模滤波器或屏蔽电缆等措施但坟根本的应该是在印刷电路板设计、元 器件布置和连接线的安排上下功夫，抑制共模骚扰源的产牛本文将理论与实例相结合，对 这两种共模骚扰的成因、表现形式和抑制对策进行了系统的介绍关键词：共模骚扰；地环路；共模辐射；共模滤波器1引言共模骚扰是让许多系统工程师头疼的问题，往往造成电了电气产品工作失灵 或者辐射发射测试超标本文将对共模骚扰的产生和抑制进行研究电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式一对导线上若流过 差模电流，则两条线上的电流大小相等，方向相反驱动源是线与线之间的差模 源一般有用信号都是差模电流一对导线上若流过共模电流，则两条线上的电 流方向相同。

驱动源是线与地Z间的共模源骚扰在传输线上既可以以差模方式 出现，也可以以共模方式出现概括说来，共模骚扰可以分为两种，一种是设备 外部的骚扰通过设备的互连线以共模电流的形式侵入设备内部产生干扰，另一种 是设备内部产生的骚扰通过设备互连线以共模屯流的形式向设备外部发射骚扰 共模骚扰通常指线与地之间的骚扰下面就对这两种共模骚扰的成因、表现形式 和抑制对策分别进行阐述2共模电流的侵入2. 1地环路中产生的共模电流骚扰图1为地环路的示意图图中两设备用一对电缆传输线连接，图中设备I （发送部分）、设备II （接 收部分）分别接各自的地，这是一个不平衡传输电路在理想情况下，两设备的 地电位和等，传输线对中仅存在有用信号U臥的差模电流1耐途经是+ lWs信号 线阻抗乙负载厶冋流线阻抗Zt-UI）MO图I共模电流与差模电流的转换Fig. 1 Convention of CM current into DM current但是，实际情况往往没有这么理想，两个设备的接地点P和Q之间很可能会 存在电位差Ucx例如，设备I处有高电流入地或瞬态强电流入地，使P点地电 位弹升，或者电缆传输线处在较强的骚扰电磁场中，地环路中产生感应电动势, 相当于在PQ间存在电位差Ucv,。

此时，由Uc”产生的噪声电流将同时通过信号线 和回流线，方向是相同的，因此是共模电流，途径如图2所示图2共模电流途径Fig.2 Path of CM current由于各条途经中的阻抗不一样，共模电流大小也不同，因此在乙两端产生 了差模压降，从而对设备2的正常工作产生干扰传输线对上是否存在共模电流骚扰可以方便地用电流钳测出将电流钳夹住 传输线，差模电流不会在电流钳中产生感应电压，共模电流则可以将该电压输 入示波器或频谱仪就可以分析共模骚扰的波形和频谱特性⑴2. 2抑制共模电流传导骚扰的对策2. 2. 1采用平衡电路如果用图3的平衡电路來代替图1的不平衡电路，则情况可以大大改善图 中信号线和回流线对地阻抗是平衡的，由％驱动的共模电流在两条线中是相等 的，因而在厶两端没有差模噪声压降，所以用平衡电路可以避免从共模到差模 的转换例如，计算机的RS-422串行接口采用这种平衡传输方式，因此可提高 传输线的抗干扰能力1hIIrL s…1QT图3平衡电路传输Hg.3 BaLuwl cin-uil lnuwtu>M

这种方法常用的措施有以下几种：(1) 隔离变压器在电路1和2Z间插入隔离变压器，如图4 (a)所示电路1的有用信号 可以通过变压器的磁场耦合传输到电路2去，而地环路产生的共模电流由丁•方向 相同在变圧器初级绕组中相互抵消，起到了隔离作用但是一•般变压器并非理想 的，初级绕组和次级绕纽•间存在着分布电容，所以共模电流可能通过这些分布电 容从初级流到次级去，并进一步流向负载为了减小分布电容，提高变压器的隔 离效果，应该在初、次级间加一层金属屏蔽层，其结构是用一层铜箔绕一匝，但 在交接处必须桀上绝缘层，不能让其变成短路环，否则差模电流也被隔离了，见 图4 (b)该铜箔起到了初级与次级间的电场屏蔽作用，即减小了两者之间的 分布屯容该铜箔应接地，而且要接在负载端，否则不起作用，这可用图4 (c) 解释屏蔽休如接在A端的地上，则共模噪声仍可通过G耦合到负载上去，所 以在B端接地隔离变压器的缺点是不能传输直流信号和频率很低的信号2) 共模扼流圈在电路1与电路2之间插入共模扼流圈，如图5所示共模扼流圈可以传输 差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现 很大的阻抗，所以它可以用來抑制共模电流骚扰。

此外，用铁氧体磁环套在两根 导线上也同样可以起到共模扼流圈的作用电m 电月zG HTtT(«>M寻效电絡 陽离变压b切斷地环路Eig.4 lnubJ(NiiM4r suiting gnHWNbkkop（3）光屯耦合器在电路1与电路2之间插入光电耦合器，如图6所示光电耦合器只能传输 差模信号，不能传输共模信号，所以完全切断了两个电路之间的地环路光电耦 合器可以传输直流和低频信号，响应速度快，输入输出端的分布参数小，而且体 积小，重量轻，便于安装，目前己广泛应用在数字电路中，频率高达10 MHzo96光电IR合■切壽地环路.Fige6 Optical ZUlor cuHig grouml-lonp3共模电流的辐射测量设备通过空间传播的辐射骚扰强度时常常遇到下述情况，如设备不接各 种输入输出线或控制线时则辐射噪声较小，可能不超过标准规定的要求，但是接 上这些线以后辐射噪声在某些频段会显著增加，有时可增10〜20 dBo实验证明 噪声强度的增加与外接线终端是否接负载，即是否有差模的负载电流关系不大, 因此这是共模电流辐射问题一对紧贴着的导线如果流过差模电流则导线各自在 空间产生的电磁场可以相互抵消，因为两根导线中的电流大小相等方向相反。

当 导线对上流过共模电流时各自产生的电磁场可以相互叠加3. 1共模电流辐射的基本模式3. 1. 1电流驱动模式图7是电流驱动模式的示意图图中Uc”是共模电压源，设备内部有很多这 样的源，例如各种数字信号电路、高频振荡源等为回路负载，5为回路的差 模电流，该电流流过AB两点间的回流地（例如PCB的地线），回到差模源如 AB间存在一定电感"，则会产生压降Ug这里，咕就是产生共模辐射的驱动源 要产生辐射，除了源以外还必须有天线这里的天线曲两部分组成，一部分是由 A点向左看的地线部分，另一部分是曲B点向右看的地线部分和外接电缆其组 成的辐射系统的等效原理图如图7 （b）所示，这实际上是一副不对称振子天线 由于共模电流5是由差模电流5产生的，所以称这种模式为电流驱动模式以 下举二例说明电流驱动产生的共模辐射，其基木解决办法见文献［1］的2. 3 节图7电涼驱动产生共模*■射療理图Fig.7 lllustnitian(/ cnurent driving CM radiation例1在PCB上为了把数字部分和模拟部分隔离，常把地分割成数字地和模 拟地如果这两部分Z间有信号联系，如图8所示，并且数字地和模拟地的连接 部分AB比较细长存在一定电感，贝IJ差模电流0将在AB连接线的屯感上产生共 模驱动电压源，从而引起共模辐射。

天线一部分是数字地，另一部分是模拟地和 外接地线图x分地引起的共模Ml射 Fig. 8 CM RMliaSion crntaed by dividing gmund例2 PCB的地通过AB线与机壳相连接，如图9所示PCB上有扁平信号线 与机壳贴近，于是斧模源通过分布电容耦合到机壳上，引起差模电流5通 过AB线回到PCB的差模源如果AB线存在一定电感5,则5在5上产生电压 降Ug成为共模驱动电压，从而引起共模辐射这时的天线一部分是外接地线, 另一部分是机売这种辐射常发生在以下情况，例如设备内部的地址线、数据线 等扁平电缆贴近机売，分布电容较人，PCB和机壳Z间的连接线细长或接触不良 等等3. 1. 2电压驱动模式电压驱动模式的原理如图10所示，图中差模电压源匕川直接驱动天线的两个 部分，即上金属部分和下金属部分，从而产生共模辐射共模辐射电流5为h" = i(M *式中：Ca为上下两部分金属之间的分布电容下述例了说明了电压驱动产生的共模辐射图10电压驱动产生共模辐射原理图Fig. 10 Illustration of voltage driving CM radiation例3图11示出的是开关电源的一部分。

其中，Q是人功率的开关管，它可 以看成是差模电压源％共模电流R的途径是由Q通过开关管和散热片之间的 分布电容Cd到达散热片，散热片是共模天线的一个极，然后以空间位移电流的 形式即通过G到达外部接线，外部接线是天线的另一个极，共模电流再曲PCB 地冋到QI.%戶乞z \\U印刖板地外接电垛图II电压驱动方式实例Fig. 11 Example for voltage driving CM radial if m3. 2产生共模辐射的条件产生共模辐射的条件一是要有共模驱动源，二是要有共模天线任何两个金 属体Z间只要存在RF电位差就构成一副不对称振了天线，两个金属体分别是它 的两个极，RF电位差即为共模驱动源，它通过不对称振了天线间的空间辐射电 磁能量当频率达到Mik级时，nil级的小电感和pF级的小电容都将产生重要的 影响两个导体连接处的小电感会产生RF电位差如例1中数字地模拟地连接 线的小电感，例2中PCB与机壳Z间连接线的小电感等都是产生共模驱动源的的 根源没有物理连接点的金属体也可能通过小电容变成天线的一部分如例3 中散热片与开关管物理上是绝缘的，但可以通过它们Z间的小电容在RF频率上 连接起来，构成共模天线的一部分。

共模天线的一个极必定是设备的外部接线，另一个极可以是设备内部PCB的地线、电源面、机壳、散热片、金属支撑架等等当天线的两个极总长度大于入/20时，天线的辐射才可能有效当天线长度与驱动源谐波的波长符合1=门入/20 （n = l, 2, 3,…）时天线发生谐振,辐射能量最大在天线总长度确定时，源在天线上的位置是大线辐射能量的决定因素犬线 在源的同一侧时产生的共模辐射要比犬线在两侧时小得多C1] o 3. 3抑制共模辐射骚扰的对策通过分析共模辐射产生的条件，我们可以很容易想到抑制共模辐射骚扰也是 从这两方而入手，一是对共模天线进行处理，二是减小共模驱动源对外的输出功皿0 -(a)廉理图 (b)结构图图12开关管和紋热片之间的静电屏藏■Fig. 12 sliirldiiig swik'h tnuihistor and heat-sink3. 3. 1从共模天线入手减小天线长度即设备外部电缆的长度可以减小辐射，但实际应用中电缆长度 往往是确定的，无法缩短，因此可用以下方法1） 改变共模源在天线上的位置3. 2条已经讲过，万一设备内部存在共模辐射源，则电缆是很好的共模辐 射天线，而天线在源的同一侧时产生的共模辐射要比天线在两侧时小得多。