EMI静噪滤波器(EMC・噪声对策) 静噪基础教程 第1部分
第5章 导体传导和共模

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？

5-3-2. 电流驱动型模型

(1) 高接地阻抗高导致共模噪声

在名列前茅个模型中，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。

(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)。

(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:

1. (i)降低接地阻抗
   1. •接地线为平板状
   2. •在基板下放置金属板（称为接地层）并加强接地
   3. •靠拢接地与信号线（以增加信号线和接地之间的互感）
   4. •缩短接地线路（缩短返回电流的路径，必须缩短信号线）
2. (ii)减少电流
   1. •增加负载阻抗
   2. •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。

(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C_DM。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C_ant，如图所示。

(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C_gnd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C_gnd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C_sig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。

(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。

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C_gnd同时降低C_sig也可以通过降低图5-3-7和图5-3-8中的C_ant来减少噪声电流。下面是有效达到这个目的的具体方法:

1. (i)稳定接地电势
   1. •扩大接地且为平板状（增加C_gnd）
   2. •靠拢信号线和接地（降低C_sig）
   3. •缩短信号线，避免不必要的突出（降低C_ant和C_sig）
2. (ii)>降低电压
   1. •降低驱动电压
   2. •使用滤波器去除不需要的高频率范围
   3. •在有浮动噪声源（散热器）时连接到接地
3. (iii)降低噪声源的浮动静电容量C_ant
   1. •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。

(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。

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。

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。

(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。

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。

(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:

1. (a)使用较粗的线，以减少共用区域内的阻抗
2. (b)各电路使用独立的电源和接地线路，以消除共用区域
3. (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。

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。

(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。

(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。

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，如果电缆侧有超小接地的结构，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。

(4) 连接具有不同接地宽度的MSL

通过图5-3-24中的扁平电缆或柔性板，无法建立足够大的接地，导致既不是平衡也不是非平衡的劣质传输线。印刷电路板也会遇到这种现象。
例如，如果使用MSL作为信号线，信号线下面的接地宽度较小，则不会形成像同轴电缆一样完全不平衡的电路传输线。如果普通模式电流流经这样的线路，接地的电压非常小。
当如图5-3-25所示连接具有不同接地宽度的MSL时，左侧和右侧MSL接地的电压不同，会在接地之间产生电压。
若要抑制共模噪声，必须限制接地宽度，确保左侧和右侧MSL的接地宽度不会改变。或者，使用EMI静噪滤波器提前消除流经信号线的噪声。
可通过电流分配系数概念解释限制接地宽度隐含的理论。更多详细信息，请参考技术资料 ^{[参考文献 5]}。

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“5-3. 共模噪声产生” 的重点内容