导体传导和共模第二讲：共模噪声产生(1)

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。

产生共模噪声的示例

(1) 当电缆连接到时钟信号接地时
图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 1(a)给出了仅使用一个基板的测量结果，而图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？

图1 产生共模噪声的示例

[p] 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3给出了当图1中的MSL替换为接地较窄的基板时的测量结果。相比图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。

图2 电流驱动模型

图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4(a)所示。我们也可以认为，流经此天线的电流类似于图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。

[p]
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中的模型。图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3(b)。

图4 电流路径和接地发射噪声的示例

图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。

[p]

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1中的测试移除了负载（50Ω终端）。图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。

图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。

图7 电压驱动模型

[p] (3) 接地越宽，共模电压越低
图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8(b)所示模型就可理解这一点。

图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8(a)中箭头所示）将流过比图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8和图9中电流箭头的方向相反。但实质上是相同路线。

图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。

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(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7和图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。

图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11给出了使用具有图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。

图11 在接地不良的基板中使用滤波器抑制噪声