电路中产生公共阻抗耦合噪声的具体原因分析

随着电子系统内设备数量的逐渐增多，噪声的干扰将越来越严重，噪声是无处不在的，总与信号共存。公共阻抗耦合是产生噪声的一个重要因素，公共阻抗耦合的噪声对电路性能有很大的影响，如波形失真、放大器性能不好等都与公共阻抗耦合的噪声有着密切的关系。

公共阻抗耦合是指噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰的回路。通过公共阻抗耦合的方式所产生的噪声，称为公共阻抗耦合的噪声。在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，如果存在不同的电路共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的问题。以下将用具体案例进行说明。

1.问题描述

某产品在测试RE时超标严重，由于该产品是全金属屏蔽设计，因此其发射路径很容易锁定。主要包括输入电源线、输出负载线，RS485通信线。通过使用耦合夹分别对三个路径的干扰量进行测试，最终确定RS485通信线辐射较大，频谱测试结果如下：

2.原因分析

按照以往的经验，通信线本身的辐射发射一般不会很高，出现最多的一般为耦合、地线串扰等原因。因此针对该PCB板布局及走线方式进行排查分析，如下图：

在该电路设计中RS485通讯口在PCB上只是一个转接作用，按道理不应该引入噪声。通过观察PCB布局可以发现，RS485端口由电阻、气体放电管、TVS管组成了一个浪涌、ESD防护电路，然后通过固定螺钉孔接PE（机壳）。同时发现接在该点PE的还有另外一路，即上方辅助电源Y电容的PE，因此辅助电源的噪声可能通过浪涌防护电路窜入通信线导致辐射发射。

3.原理分析

从上图中可以看清楚基本的连接情况，即辅助电源输入线的Y电容所连接的PE线与TVS管、气体放电管的PE相连接后最后才连接到PCB板的接地孔。实际上两者存在着一段共地线，这就有发生共阻抗耦合的可能性。由于PE线走线较长，且在PE线连接中存在过孔等情况，因此上面的电路可以等效为如下情况：

其中Z1~Z3为PE线、过孔所产生的阻抗，Z4/Z5为气体放电管、TVS管的等效阻抗。按照理想状态，电源的噪声应该沿着I1方向流入PE接地点，即I=I1；噪声电流全部通过Y电容回流到PE。但是由于Z1~Z3的存在，产生共阻抗耦合，部分噪声电流沿着I2~I4方向流动。而且在高频状态下气体放电管、TVS管的阻抗也急剧下降，加剧了这种耦合。此时I2~I4不能忽略，这样噪声电流直接耦合到RS485通信线上，由于通信线都比较长，加剧了辐射发射，因此对RE的测试结果产生很大的影响。

4.结果验证

验证方法：通过在同一块PCB中将TVS管、气体放电管去掉，然后使用频谱分析仪测试的噪声如下,干扰包络明显消除。

综合以上实际案例，消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。如前所述，减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板，在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗，在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗，但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地，。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中，没有必要所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。
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