雜訊抑制濾波器指南

抗噪基礎知識 [第 6 課] 共模扼流圈

10/28/2011

繼上一堂課討論了晶片式三端電容器之後，本堂課我們將探討共模扼流圈。

<共模扼流圈利用傳導模式將雜訊與訊號分離>

在先前關於片式鐵氧體珠和片式三端電容器的討論中，我們曾說明它們如何利用頻率差異——由於雜訊頻率通常高於訊號頻率。因此，它們能作為低通濾波器，有選擇性地僅抑制雜訊。共模扼流圈也是一種雜訊濾波器，但它們並非利用頻率差異，而是透過傳導模式的差異來將雜訊與訊號分離。因此，我們必須先了解共模與差模之間的區別。

<共模與差模>

通常，在電路板的電路中，從某個部位流出的電流會經由負載流向另一條電路，並透過電路板上的另一條路徑返回起點。（在許多情況下，回流路徑即是電路板的接地層。）這種電流流動方式稱為差模（或稱正常模）。

還存在另一條導電路徑，儘管並非以明確的導線形式存在。電路板上的導線與參考接地平面之間會產生微量的寄生電容，從而形成一條傳導路徑：電容電流會先共同流經電路板上的所有導線，再沿著參考接地平面朝相反方向回流。此路徑稱為共模。

雖然導線與參考接地表面之間的寄生電容相當小，但隨著訊號頻率升高，即使只有微量的寄生電容，阻抗也會下降，導致共模電流更容易流動。通常，共模電流不會主動通過電路傳輸，但如果電源電路或驅動器 IC 的接地端發生振動，其所驅動的整個電路也會隨之振動，從而產生共模雜訊。若電纜從外部連接至電路，共模電流也會流經該電纜。由於電纜相對於地會產生電位差，因此該電流將以噪音無線電波的形式釋放出來。

<共模扼流圈是一種僅針對共模電流起作用的雜訊濾波器>

共模扼流圈是一種雜訊濾波器，能區分來自前述共模與差模（或稱傳導模）的訊號與雜訊。簡而言之，它們是僅針對共模起作用的濾波器。
圖 3 顯示了共模扼流圈的原理圖。

共模扼流圈由兩根導線纏繞在單一磁芯上（若用於高頻應用，則為鐵氧體磁芯）所構成。因此，它們具有四個端子。這兩條導線以相反方向纏繞在鐵芯上。當共模電流流經此類結構的線圈時，由於各線圈中發生的電磁感應現象，會產生磁通量。然而，由於所產生磁通量的方向相同，兩者會相互增強，從而增強其作為電感器的作用。相反地，流經線圈的差模電流會產生方向相反的磁通，彼此相互抵銷。因此，線圈對差模電流不再發揮電感作用。由此可見，共模扼流圈是一種僅對共模電流發揮電感作用，而對差模電流則不發揮電感作用的濾波器。

<共模扼流圈的優點>

共模扼流圈有兩大優點。

(1) 即使訊號與雜訊的頻率重疊，由於兩者導通模式不同，仍能僅抑制雜訊。
(2) 即使差模電流很大，性能也不會下降，因為磁芯不會飽和。

共模扼流圈最重要的特點，在於其能夠區分雜訊與訊號，即使兩者頻率相同亦然。近年來，越來越多的電子裝置開始採用高速差分傳輸作為訊號傳輸的方式。 USB、SATA 和 HDMI 都是高速差分傳輸的典型例子。在高速差分傳輸線路中，會傳輸極高頻的訊號，而像鐵氧體珠這類依靠頻率差異來區分訊號與雜訊的濾波器，則無法有效區分兩者。若著重於信號的傳輸效果，則難以有效抑制雜訊；反之，若專注於雜訊抑制，又會衰減部分信號，進而影響信號完整性。另一方面，共模扼流圈是透過傳輸模式來區分信號與雜訊，因此只要流經線圈的高速信號屬於差分模式，便不會受到影響。在高速差分傳輸線中，訊號通常僅為差分模式。問題所在的雜訊多為共模雜訊，因此可使用共模扼流圈有效抑制共模雜訊，同時不影響高速訊號。

電纜連接至企業電源線及接收輸入電力的次級交流電源適配器。這些電纜會變成天線，而釋放出的雜訊便成為問題。當使用針對差模起作用的電感式濾波器（例如鐵氧體珠或正常模扼流線圈）時，流經的巨大電流會導致磁芯發生磁飽和，從而使這些元件作為電感器的性能大幅下降。共模扼流圈在此類應用中非常實用。在共模扼流圈中，不會發生磁飽和現象，因為差模電流產生的磁通量會相互抵消並消失。因此，共模扼流圈被用於抑制流經大電流的電源線路中的雜訊。

<共模扼流圈的範例>

圖 5 展示了一些共模扼流圈的實例。

交流電源線路承受高電壓，因此在為這些線路製造線圈時，必須格外重視安全。相反地，由於高速訊號線路需要較小尺寸的線圈，因此這類應用會採用晶片型線圈。市面上其他類型的線圈還包括：將導線纏繞在鐵氧體芯上的「繞線型」，以及採用薄膜線圈的「薄膜型」。繞線型具有高性能的特點，而薄膜型則以體積小巧見長。圖 6 展示了一種繞線型晶片式共模扼流圈的結構範例。兩條線路共同纏繞於線圈上，使輸出線與回流線緊鄰，從而增強線路間的磁耦合，進而提高共模與差模之間的選擇性。

<使用共模扼流圈的注意事項>

迄今為止的討論指出，共模扼流圈不會影響差模，但這僅適用於理想的共模扼流圈。實際上，由相對線圈產生的磁通中，部分會發生洩漏而未能相互抵消，從而產生微量的電感。這種差模電感雖然非常微小，但在使用極高頻訊號的應用中，仍必須考量其影響。圖 7 展示了一個晶片型共模扼流圈的實際阻抗曲線範例。我們知道，差模阻抗在約 1 GHz 時會變高。近期已開發出能進一步抑制差模阻抗的片式共模扼流圈。對於 DisplayPort、USB 3.0 以及其他使用極高頻訊號的裝置，應選用合適的片式共模扼流圈。
歡迎參閱我們提供的指南，了解如何為高速差分線路選用片式共模扼流圈。

高速差分傳輸線用共模扼流圈選型指南
https://www.murata.com/products/emc/emifil/selectionguide/highspeed