噪声分为共模或差模，具体取决于其传导方式。如果我们不能正确识别噪声模式，则可能会在电路中添加不适当的噪声抑制组件，从而使噪声情况变得更糟。在本文中，我们将讨论共模噪声的解决方案：共模扼流圈 (CMC)，它可以衰减共模信号，同时允许差分信号在理想情况下无衰减地通过。
之前的一篇文章介绍了 USB、HDMI 和以太网等高速差分数字接口中的共模噪声问题。CMC 在这些和其他差分数据传输应用中非常有用。它们还用于滤除开关模式电源和交流/直流整流器中电源线的噪声。图 1 显示了 CMC 的两种不同应用。
CMC 在电源线和信号线滤波中的应用。
图 1. CMC 在电源线和信号线滤波中的应用。图片由村田制作所提供
CMC 如何运作？
共模扼流圈由缠绕在磁芯上的两个绕组组成。图 2 显示了用于电源线滤波应用的 CMC。
适用于电力应用的 CMC。
图 2.用于电源应用的 CMC。图片由Octopart提供
绕组相对于彼此的方向在 CMC 的运行中起着关键作用。选择它们是为了使器件对共模信号呈现高阻抗，同时在很大程度上不受影响地传递差分信号。
我们可以利用法拉第定律和右手定则来理解 CMC 的工作原理。考虑图 3 中的电流，该图显示了施加差分信号时的 CMC。
CMC 由差分信号激励。
图 3.由差分信号激励的 CMC。图片由Pulse Electronics提供
通过差分信号，两个绕组产生大小相等但方向相反的磁通量。由于磁通量相互抵消，滤波器对信号的影响应该可以忽略不计，使其能够以的衰减通过。由于这种磁通抵消，差分信号无法驱动 CMC 磁芯进入饱和状态。
图 4 显示了 CMC 如何响应共模信号。
CMC 由共模信号激励。
图 4.由共模信号激励的 CMC。图片由Pulse Electronics提供
对于共模信号，两个绕组的磁通量方向相同，产生很大的感抗。通过呈现高阻抗，该器件可以有效抑制线路中的高频共模噪声。
计算差分和共模阻抗
为了量化上述定性描述，我们来计算 CMC 的差分和共模阻抗。图 5 由两个耦合电感器组成，代表了我们可以使用的简单的电路模型。对于差分阻抗计算，我们应用差分信号并将输出连接到地。
用于计算差分阻抗的 CMC 简单电路模型。
图 5.用于计算差分阻抗的 CMC 简单电路模型。图片由 Steve Arar 提供
在上述模型中，R代表绕组的铜损。各绕组的阻抗为：
Zdm = VsI1 = jLω ? jMω + R ≈ R
等式 1。
其中假设绕组之间存在耦合 ( L 1 = L 2 = M )。这意味着滤波器理想地对差分信号呈现较小的电阻阻抗。正如我们将在本文后面讨论的那样，该阻抗应保持尽可能低。
图 6 对同一电路中的共模激励进行了建模。
用于计算共模阻抗的 CMC 简化模型。
图 6.用于计算共模阻抗的 CMC 简化模型。图片由 Steve Arar 提供
此时，各绕组的阻抗为：
Zcm = VsI1 = jLω + jMω + R ≈ jω(2L)
等式2。
其中L R。因此，共模输入阻抗非常高，特别是在两个绕组之间存在强耦合的频率下。如果 CMC 使用磁芯，则耦合（以及扩展的共模阻抗）在较低频率下会更高，此时磁芯可以更有效地提高电感。
如果我们使用两个非耦合电感器会怎样？
尽管我们可以使用非耦合电感器来抑制差分和共模噪声，但 CMC 比单独的电感器具有一些重要的优势。例如，由于差模励磁期间的磁通抵消，CMC 的磁芯在正常运行期间不会饱和。即使当电路中流过相对较大的电流时也是如此。因此，更容易使用 CMC 对大电流线路（例如 AC/DC 电源线路）进行噪声抑制。
在高速数字接口中，CMC 对差分信号不可见这一事实也代表了一个优势。图 7 说明了使用非耦合和耦合电感器滤除差分信号中的噪声之间的差异。
使用非耦合电感器 (a) 和耦合电感器 (b) 滤波之前和之后的差分信号
图 7.使用非耦合电感器 (a) 和 CMC (b) 进行滤波之前和之后的差分信号。图片由村田制作所提供
在图 7(a) 中，使用了两个独立的电感器。滤波效果会平滑边缘并使信号失真。上升时间的增加可能会损害信号完整性并导致码间干扰。相比之下，图 7(b) 中所示的理想 CMC 根本不会减慢边缘速度。
阻抗随频率的变化
在图 5 和图 6 中，我们使用两个耦合电感器对 CMC 进行建模。这个简化的电路模型忽略了绕组的寄生电容。通过考虑绕组内电容，我们获得了图 8 中更精细的模型。
共模励磁 CMC 的等效电路模型。
图 8.共模激励的 CMC 等效电路模型。图片由Abracon提供
绕组电容在 CMC 的频率响应中起着关键作用。将并联 RLC 电路置于等效模型的意味着存在一个谐振频率，在该频率下并联 LC 电路的行为类似于开路。在此频率下，并联 RLC 电路的阻抗达到值，等于R ac。
低于谐振频率时，电路表现为电感式。然而，当我们的频率高于谐振频率时，电路的行为就会变成电容性的。图 9 显示了 Pulse Electronics 的几种不同 CMC 的阻抗如何随频率变化。
多个 CMC 的共模阻抗。
图 9.多个 CMC 的共模阻抗。图片由Pulse Electronics提供
如果制造商没有提供 CMC 模型，我们可以使用实验室测量来估计图 8 中模型的参数。然后可以使用该模型来模拟 CMC对共模噪声的影响。
选择共模扼流圈
选择共模扼流圈时，应同时考虑其共模阻抗和差模阻抗。差分阻抗应尽可能低，以便所需信号可以不受影响地通过。滤波器抑制噪声的能力直接取决于其共模阻抗，但是共模阻抗越高，噪声抑制效果越好。
我们还需要考虑共模阻抗如何随频率变化，以确保其在感兴趣的频率范围内处于可接受的高水平。请注意，较高的共模阻抗通常对应于较大的元件尺寸，这可能更难适应密集的 PCB 设计。
图 10 显示了 Murata 的两个 CMC 的差分和共模阻抗。
CMC 数据表中的差分和共模阻抗与频率图。
图 10. CMC 数据表提供了差分和共模阻抗与频率的关系。图片由村田制作所提供
上图中，DLMNSN900HY2 的共模阻抗在 900 MHz 左右时大于 2 kΩ。其同频率下的差分阻抗约为200Ω。DLM0NSN500HY2 的共模阻抗在大约 1,000 MHz 时达到 1 kΩ 以上的峰值，此时其差分阻抗仅为 100 Ω 左右。
一些数据表还绘制了不同频率下的差模插入损耗。上述 Murata 器件的插入损耗曲线如图 11 所示。
Murata 的两个 CMC 的插入损耗。
图 11. Murata 的两种 CMC 的插入损耗。图片由村田制作所提供
两种不同的缠绕方法：双股缠绕和分段缠绕
CMC 可以使用双线或分段绕组。两者均如图 12 所示。
CMC 中使用的双线和分段绕组。
图 12. CMC 中使用的双线（左）和分段（右）绕组。图片由Würth Elektronik提供
