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[USB] 关于差模转共模及共模信号相关
P:2010-06-03 09:35:30
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共同学习之:
（一）
电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素。
因此，在实际中经常发现：当将设备上的外拖电缆取下来时，设备就可以顺利通过试验，在现场中遇到电磁干扰现象时，只要将电缆拔下来，故障现象就会消失。这是因为电缆是一根高效的接收和辐射天线。另外，电缆中的导线平行传输的距离最长，因此导线之间存在较大的分部电容和互电感，这会导致导线之间发生信号的串扰。
解决电缆问题的主要方法之一是对电缆进行屏蔽，但是屏蔽电缆应该怎样端接，怎样的屏蔽电缆才是有效的，等一系列问题是普遍关心而模糊的问题。本节讨论电缆的辐射问题、电磁场对电缆的干扰问题、导线之间的信号串扰问题，以及这些问题的对策。
1 电缆的辐射问题
电缆的辐射问题是工程中最常见的问题之一，90%以上的设备（主要是含脉冲电路的设备）不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的。电缆产生辐射的机理有两种，一种是电缆中的信号电流（差模电流）回路产生的差模辐射，另一种是电缆中的导线（包括屏蔽层）上的共模电流产生的。电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路面积是由电缆与大地（或邻近其它大型导体）形成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射
共模电流是如何产生的往往是许多人困惑的问题。要理解这个问题，首先明确共模电压是导致共模电流的根本原因，共模电压就是电缆与大地（或邻近的其它大型导体）之间的电压。从共模电压出发，寻找导致共模电流的原因就容易了，而导致一个问题的原因一旦清楚，解决这个问题就不是很困难了。电缆上的共模电流产生的原因有以下几点：差模电流泄漏导致的共模电流.即使电缆中包含了信号回线，也不能保证信号电流100%从回线返回信号源，特别是在频率较高的场合，空间各种杂散参数为信号电流提供了第三条，甚至更多的返回路径。这种共模电流虽然所占的比例很小，但是由于辐射环路面积大，辐射是是不能忽视的。
不要试图通过将电路与大地“断开”（将线路板与机箱之间的地线断开，或将机箱与大地之间的地线断开）来减小共模电流，从而减小共模辐射。将电路与大地断开仅能够在低频减小共模电流，高频时寄生电容形成的通路已经阻抗很小。共模电流主要由杂散电容产生。当然，如果共模辐射的问题主要发生在低频，将线路板或机箱与大地断开会有一定效果。从共模电流产生的机理可知，减小这种共模电流的有效方法是减小差模回路的阻抗，从而促使大部分信号电流从信号地线返回。
一般信号线与回线靠得越近，则差模电流回路的阻抗越小。一个典型的例子就是同轴电缆，由于同轴电缆的回流电流均匀分布在外皮上，其等效电流与轴心重合，因此回路面积为零，差模阻抗接近为零，几乎100%的信号电流从同轴电缆的外皮返回信号源，共模电流几乎为零，所以共模辐射很小。另一方面，由于差模电流回路的面积几乎为零，差模辐射也很小，所以同轴电缆的辐射是很小的。对于高频信号，用同轴电缆传述可以避免辐射。实际上，这与我们传统上用同轴电缆传输高频信号，以减小信号的损耗的目的具有相同的本质。因为信号的损耗小了，自然说明泄漏的成份少了，而这部分泄漏就是电缆的辐射。
线路板的地线噪声导致的共模电流。信号地线就是信号的回流线，因此，地线上的两点之间必然存在电压，对于高频电路而言，这些就是高频噪声电压，它作为共模电压驱动电缆上的共模电流，导致共模辐射。线路板设计一章中提供的各种减小地线阻抗的设计方法，可以用来减小地线上的噪声，从而减小共模电压。一种推荐的方法是在电缆端口设置“干净地”。所谓干净地就是这块地线上没有可以产生噪声的电路，因此地线上的局部电位几乎相等。如果机箱是金属机箱，将这块干净地与金属机箱连接起来。机箱内电磁波空间感应导致的共模电流。
机箱内总是充满了电磁波的，这些电磁波会在电缆上感应出共模电压，另外，电缆端口的附近也会有一些产生高频电磁场的电路，这些电路与电缆之间存在着电容性耦合和电感性耦合，在电缆上形成共模电压。电磁感应产生的共模电压。需要注意的是，机箱内的电磁波大多由电路的差模辐射所至，在线路板设计一章，我们讨论了脉冲信号差模辐射的频谱，可知其频率范围是很宽的。这导致了共模电压的频率往往远高于我们所预期的值。
（二）
电缆长度：在满足使用要求的前提下，尽量使用短的电缆。但电缆长度往往受到设备之间连接距离的限制，不能随意缩短。而且，当电缆的长度不能减小到波长的一半以下时，减小电缆长度也没明显效果；增加共模电流环路的阻抗：目的是减小共模电流，因为在共模电压一定的情况下，增加共模电流路径的阻抗可以减小共模电流；减小共模电压：目的是减小共模电流，当共模回路阻抗一定时，减小共模电压就可以减小共模电流；低通滤波器滤波：目的是减少高频共模电流成份，这些高频共模电流的辐射效率很高；电缆屏蔽：目的是为共模电流提供一条环路面积较小的路径。下面介绍在实际工程中应用上述概念的方法。
1 增加共模电流回路的阻抗
设备组装完成后，设备电缆上产生的共模电压也就一定了。这时，减小电缆上的共模电流的方法就是增加共模电流回路的阻抗。但是怎样增加共模回路的阻抗是许多工程师困惑的问题。他们往往试图通过断开线路板与机箱之间的连接，或者机箱与安全地之间的连接，来增加共模回路的阻抗，结果往往令人失望。因为这些方法仅对低频有效，而低频共模电流并不是辐射的主要原因。
实用而有效的方法是在电缆上串联共模扼流圈，共模扼流圈能够对共模电流形成较大的阻抗，而对差模信号没有影响，因此使用上很简单，并且共模扼流圈不需要接地，可以直接加到电缆上。将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈，根据需要，也可以将电缆在磁环上绕几匝。为了工程方便，很多厂家提供分体式的磁环，这种磁环可以很容易地卡在电缆上。 电缆上套了铁氧体磁环后，辐射强度的改善量取决于原来共模电流回路的阻抗，从共模辐射的公式容易推导出下面的结论 （推导中，应用共模电压不变的条件）：
共模辐射改善 ＝ 20lg（E1 / E2）= 20lg（ICM1 / ICM2）
＝20lg（ZCM2 / ZCM1）
＝20lg （ 1 + Z/ZCM1）
式中：
E1＝加铁氧体前的辐射强度，
E2＝加铁氧体后的辐射强度，
ICM1＝加铁氧体前的共模电流，
ICM2＝加铁氧体后的共模电流，
ZCM2＝加铁氧体后的共模环路阻抗，
ZCM1＝加铁氧体前的共模环路阻抗，
Z＝共模扼流圈的阻抗。
例如，如果没加共模扼流圈时的共模电流环路阻抗为100W，共模扼流圈的阻抗为1000 W，则共模辐射改善为20dB，而如果原来的共模电流环路阻抗为1000W，则改善量仅为6dB。 为了获得预期的干扰抑制效果，在使用铁氧体磁环时，需要注意以下问题：
a. 铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同材料成分和磁导率的铁氧体材料。镍锌铁氧体材料的高频特性由于锰锌铁氧体材料，并且铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，而高频的阻抗越小。这是由于导磁率高的铁氧体材料电导率较高，当导体穿过时，形成电缆与磁环之间的寄生电容较大。
b.铁氧体磁环的尺寸：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在磁环内径包紧电缆的前提下，尽量使用体积较大的磁环
c.共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于匝间寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。
例：某设备有两个超标辐射频率点，一个是为40MHz，另一个为900MHz。经检查，确定是电缆的共模辐射所致。在电缆上套一个磁环（1/2匝），900MHz的干扰明显减小，不再超标，但是40MHz频率仍然超标。将电缆在磁环上绕3匝，40MHz干扰减小，不再超标，但900MHz超标。为了解决这个问题，使用了两个铁氧体磁环，一个1/2匝，另一个3匝。
d.电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为电缆与磁环之间的寄生电容增加的缘故。
e.铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源或敏感源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。 由于铁氧体磁环的效果取决于原来共模环路的阻抗，原来回路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了共模滤波电容时，由于其共模阻抗很低，磁环的效果更明显。
（三） 电磁场对电缆的影响
电缆处于电磁场中时，电缆上会感应出噪声电压。与电缆辐射的情况相对应，电磁场在电缆上感应出的电压也分为共模和差模两种。共模电压是电磁场在电缆与大地之间的回路产生的，差模电压是电磁场在信号线与信号地线形成的回路中产生的。当电路是非平衡电路时，共模电流会转换成差模电压，对电路形成干扰。由于信号线与信号地线形成的回路面积很小，因此噪声电压仍以共模为主。
1. 电磁场在电缆上感应出的电压
电缆很靠近地面时：电场分量垂直于地面，磁场分量垂直于导线-地面回路时，感应最强。
电缆很远离地面时：电场分量平行于地面，磁场分量垂直于导线-地面回路时，感应最强。
电磁场在导线中感应出的电压是共模形式的，负载上的电压是以系统中的公共导体或大地为参考点的，一般以系统中参考地线面为参考点。对于多芯电缆，这意味着电缆中的所有导体都暴露在同一个场中，它们上面所感应的电压取决于每根导体与参考点之间的阻抗。
2.电缆对低频磁场的抑制
低频磁场干扰在实际中是很常见的，例如电源线的附近、马达或变压器的附近等。当电缆穿过这种磁场时，电缆所连接的电路中就会产生干扰。这种干扰是由于导体回路面积所包围的磁通量发生变化所致。根据电磁感应定律，导体上感应的电压幅度与它所包围的磁通变化率成正比。如果回路面积所含的磁通量为j ，则：
VN＝（d j / dt）
如果假设回路面积A中所包围的磁场是均匀的，也即，回路中各点的磁通密度B是相等的，则 j = A B ，则：
VN＝ A（dB / dt）
如果磁场按正弦规律变化，且表示成：
B＝B0e-jwt
则： VN＝ j wA B
从公式中，可以看出，感应电压与磁场的频率、磁通密度、回路面积等成正比。由于外界干扰场的频率是不受控的，因此为了减小感应电压，应尽量减小回路中所包围的磁通密度和回路的面积。减小磁通密度只能通过增加电缆与磁场辐射源之间的距离来实现。减小回路面积可以通过使用适当的电缆和接地方式来实现。克服磁场的干扰有效方法是减小回路的面积，也就是使信号线与其回线尽量靠近
双绞线和同轴线在减小磁场干扰方面有很好的效果。双绞线：双绞线能够有效地抑制磁场干扰，这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。
但是，如果电路的两端接地，则不再具有上述特征。因为这时每根导线与地平面之间构成了一个面积很大的回路，在这个回路中会产生感应电流。由于两根导线是不平衡的，因此会产生差模电压。同轴电缆：当同轴电缆适当连接时，对磁场干扰的抑制效果是十分理想的。因为同轴电缆上信号电流与回流可以等效为在几何上重合，其面积为0。
为了保持同轴电缆的这个特性，在电缆的两端，非同轴部分，要保持面积尽量小。即屏蔽层的联线尽量短。实际的同轴电缆，由于芯线与外层不一定是完全同心，因此会有一定的等效面积，影响其抑制效果。与双绞线的情况相似，同轴线的两端也不能接地，否则在芯线与大地的回路中和外层与大地的回路中都会产生电流，由于电路非平衡性，会产生差模噪声。
由于天线的对称原理，上述结构的电缆如果接收效率低，则它们的辐射效率也低，因此，双绞线电缆和同轴电缆的辐射也较小。利用这个特点，可以减小电缆的磁场辐射。屏蔽电缆的效果与屏蔽层和电路的接地密切相关。特别是当外界干扰为磁场时，不同的连接方法效果大不相同。这组数据是在磁场中针对不同的接地结构试验获得的：
结构A：
在信号线上套一个非磁性材料的屏蔽套，并且单点接地。对于磁场而言，当非磁性材料的屏蔽层单点接地时，信号回路中的磁场没有变化，因此磁场感应是相同的，即这种结构没有屏蔽效果。这种情况屏蔽效果定义为0dB，作为参考点。
结构B：
将A中的屏蔽层两端接地。这时就能够提供一定的屏蔽效能了。因为由屏蔽层与地平面构成的环路中也感应了电流，这个电流产生了一个与原磁场相反的磁场，使信号回路中的磁场减弱，感应噪声减小。
结构C：
双绞线本应提供较好的屏蔽效果（由于相邻绞节中感应的电流方向相反，相互抵消），但由于电路两端接地，实际的感应回路并不小，因此效果较差。
结构D：
在双绞线上加了一个单端接地的屏蔽层，由于单端接地的屏蔽层对磁场没有屏蔽效果，因此并没有改善双绞线的屏蔽效能。
结构E：
将屏蔽层两端接地后，同B一样，屏蔽层中的电流产生的反磁场削弱了原磁场，屏蔽效能有所提高。说明：结构C是一种常见的错误，在实践中要避免。
结构F：
电路只在单点接地，利用电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同轴电缆回路面积为0，不会感应上任何噪声电压。实际同轴电缆的屏蔽效果取决于芯线与外层轴心的偏差。
结构G：
双绞线由于具有很小的感应回路，并且相邻绞节中的感应电流对消，因此表现出较高的磁场屏蔽效果。实际的抑制效果比55更高，因为这里有些电场感应了进来。这从结构H可以看出。在结构H中，单端接地的屏蔽层抑制了电场感应，是屏蔽效果提高到70。
结构H：
在G的基础上增加一个单端接地的屏蔽层，消除了（实验装置产生的附加）电场的影响。这里的屏蔽效果没有F高，是因为双绞线的回路面积没有同轴电缆的小。增加绞节密度可以进一步提高抑制效果。
结构I：
将H中的屏蔽层两端接地后，导致屏蔽效能下降。这是因为屏蔽层两端接地后，在屏蔽层上产生了感应电流，这个电流在双绞线上感应出电流，由于电路不是平衡的，导致产生差模电压。
结构J：
将H中的屏蔽层非接地的一端接到电路公共端，进一步提高了屏蔽效能，但没有达到F的水平，因为F中的电缆是同轴电缆，具有很小的感应回路。问题：结构H的屏蔽效能比结构G提高了一些，这是因为单端接地的屏蔽层消除了实验装置产生的附加额外的电场，为什么结构D的屏蔽效能没有比结构C的屏蔽效能提高？
平衡电路：
平衡电路中的两个导体及与其连接的所有电路对地或其它导体有相同的阻抗。
平衡电路对电磁场的响应：平衡电路中的两个导体几何尺寸相同，并且靠得很近，因此可以认为是处于同一个场强。由于它们相对于任何参照物体的阻抗都相等，因此它们上面感应的电流是相同的，在导体两端相对于参考点的电压也是相同的。因此两根导体之间的电压为0V。
若这两个导体连接在电路的输入端，为电路提供输入信号电压，由于它们之间没有噪声电压，因此外界电磁场对电路的输入没有影响。理想的平衡电路能够抵抗任何强度的电磁场干扰。
平衡电路性能的评估：平衡电路的平衡程度用共模抑制比来描述。共模抑制比定义为共模电压与它所产生的差模电压之比，常用分贝来表示。
CMRR＝20lg（VC/VD）dB
例如，如果电路的共模抑制比为60dB，则1000V的共模电压在电路的输入端只能产生1V的差模电压。该电路的抗雷电等产生的共模干扰的性能很好。
设计良好的电路，其共模抑制比可以达到60-80 dB。但在高频时，由于寄生参数的影响，电路的平衡性很难作得很好。所以，平衡电路对高频的共模干扰也没有很好的抑制效果。
注意1：
在使用平衡电路时，不仅要选用平衡电路，而且，在布线时也要保证两根线的对称性，这样才能保证高频的平衡性。
注意2：
双绞线是一种平衡结构双绞线是一种平衡结构，因此在平衡系统中经常使用双绞线。同轴电缆则不是平衡结构，在平衡系统中使用时要注意连接方法。同轴电缆只能做一根导体使用，其外层作为屏蔽层使用。
平衡电路对空间和地线的电磁干扰具有很好的抑制作用，因此在通信电缆上得到广泛的应用。当平衡电路的共模抑制比不能满足要求时，可以用屏蔽、共模扼流圈等方法来进行改善。但屏蔽的方法仅适合于空间电磁场造成共模干扰的场合。共模扼流圈的方法可以适合于任何共模干扰的场合，如地线电位差造成的共模干扰
屏蔽：将电路的输入电缆屏蔽起来，屏蔽层按照规范进行连接，可以起到屏蔽电磁场的作用，它的抑制效果与电路平衡性对空间电磁场的共模干扰的抑制效果是相加的。例如，屏蔽提供的共模抑制效果是30dB，平衡电路的共模抑制比是60dB，则总的共模抑制效果是90dB。电缆屏蔽层的屏蔽效果在很大程度上决定于屏蔽层的端接方式，端接不好的话（不是360度搭接方式），高频的屏蔽效能会下降。
共模扼流圈：共模扼流圈的特殊绕制方法决定了它仅对共模电流有 抑制作用，而对电路工作所需要的差模电流没有影响。因此，共模扼流圈是解决共模干扰的理想器件。理想的共模扼流圈低频的共模抑制作用小，而随着频率的升高，抑制效果增加。这与平衡电路低频的共模抑制比高，随着频率升高，平衡性变差，共模抑制比降低的特性正好相反，因此具有互补性。所以，在平衡电路中使用了共模扼流圈后，电路在较宽的频率范围内能保持较高的共模抑制比。
说明1：实际共模扼流圈的频率特性与磁芯的材料，线圈的绕法等因素有关，在实际使用时，要根据具体情况进行参数的调整。
说明2：共模扼流圈的特性与许多共模抑制器件的特性都有互补性，例如，隔离变压器，由于初次级之间寄生电容的影响，对于高频共模干扰抑制效果很差，与共模扼流圈一起使用后，就改善了这个缺陷。共模扼流圈的另一个好处是，不需要接地。这为设计提供了很大方便。
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