原创 共模扼流圈在高速数据链路的使用

 简介

共模扼流圈广泛应用于高速串行数据传输。当传输介质是连接两个子系统的差分线电缆时, 其应用则更为普遍。使用共模扼流圈可以减少电缆的电磁辐射噪音，并有助于符合规范要求。由于共模扼流圈是直接用在数据线路上的，其电气特性可能会影响经电缆传输的差分信号的性能。本文论述了共模扼流圈的结构、电气性能和常见的用途，为硬件工程师提供应用选择合适元件的一个信息。

共模扼流圈的结构

共模扼流圈有许多形式。包在电缆上的铁氧体钳（ferrite clamp）就形成了一个共模扼流圈，并成为了电缆的一部分。许多供应商1 生产微型共模扼流圈，是专为印刷电路板安装设计的。其尺寸像一个0805或0603电阻器一样大小。

共模扼流圈是由对称绕在铁氧体磁芯上的两根同样的导线組构成的。图2显示了一个0805大小的共模扼流圈结构。这个结构是一对高度对称的互感器。等效电路图如图3所示。

共模扼流圈的特性

一个理想的差分信号是一对具有同等幅度，其相位正好是180度的信号組成的。当一个差分信号施加在共模扼流圈上时，每个信号都产生了磁通量，其数量相等但极性相反。磁通量相互抵消，因此扼流圈看起来对差分信号是透明的。在现实中，由于电路寄生效应的缘故, 信号幅度会有小幅减少。

同样，共模信号是由一对有相同幅度且完全同相的信号形成的。当一个共模信号施加在一个共模扼流圈上时，在铁氧体磁芯中產生了互補的磁通, 并增加了扼流圈的阻抗。因此，扼流圈为共模信号提供了大量衰减。

简单来说，共模扼流圈是一个神奇的元件，它具有高阻抗，可以提供衰减来抑制共模信号，同时又呈现出低阻抗，对通过器件的差分信号来说, 引入的插入损耗很小。图4描述了一个共模扼流圈特性的示意图。

 

共模扼流圈的规格

供应商通常根据其在基准频率的共模阻抗值来制定共模扼流圈的规格。具有较大共模阻抗的扼流圈可在较低的频率提供共模衰减。表1显示了来自村田制作所的DLW21S系列共模扼流圈的规格。这些产品适用于高速串行链路，如HDMI或FPD-Link II和III。

描述共模扼流圈特点的一个更好的方法是通过它的频率特**来进行描述。图5描述了扼流圈的共模插入损耗。它显示了在阻带频率扼流圈衰减共模信号的能力。而通带内的共模信号不会衰减。

图6和图7显示了扼流圈的差模插入损耗和回波损耗。这些对通过扼流圈的差分信号来说都是很重要的参数。差分插入损耗决定了可用带宽，而回波损耗决定了扼流圈是否可以保留连接到扼流圈的传输介质的特性阻抗。
差分信号系统旨在实现对称的互补信号和承载信号的传输介质。差分信号源的设计都是为了实现振幅、上升和下降转换的时间、传播延迟和负载的良好匹配。在有物理约束的现实世界中，总是有一些不匹配的因素使得差分源或传输介质出现一些失衡。差分信号的不平衡会导致共模信号的产生。根据设备外壳和电缆的屏蔽效果，少量不需要的共模信号会以电磁辐射噪音的形式辐射到空中。

共模扼流圈凭借其衰减共模信号，同时又使差分信号不受影响的属性，成为了一个有效的补救措施，可以通过减少共模信号源来减少电磁辐射。如图8所示，共模扼流圈（L1）放置在一个发射器电路板连接器之前，用来减少到达线束之前的不需要的共模信号。
 

用来消减干扰

为了确保电子子系统之间可靠的运行程序，要对它们进行符合电磁兼容性（EMC）要求的测试。一些常用的EMC测试是通过大电流注入（BCI）和射频干扰（RFI）来进行的。而BCI测试是通过使用电流注入探头, 引起线束上出现大量的共模信号来进行测试的。RFI测试涉及到天线的使用，要为被测试的子系统提供了强大的共模干扰信号。

根据线束的屏蔽效果，一定量的电磁干扰可能会随着共模干扰信号出现在一个高速差分接收器的输入引脚上。但如果共模干扰过多，可以将靠近接收器的输入引脚放置到共模扼流圈中来，从而过滤共模干扰信号。

用来减轻电缆不平衡

高速差分信号要求传输差分信号的电缆的两根导线之间有很好的对称性。影响其性能的因素主要取决于其物理尺寸的匹配程度，如导线的长度和导线直径、导线和介质及其电绝缘材料的性能，以及每根导线的特性阻抗。电缆的结构对两根导线之间的相互耦合程度有很大的影响，这决定了电缆的特性阻抗。当相互耦合随电缆长度改变一点点时，在使用双绞线电缆的情况下，其电气性能会随导线进行变化，从而影响了电缆的平衡度。

通过良好平衡电缆的传输差分信号可以保持等幅和极性相反的差分特性。任何不平衡都会导致模式转换, 以至其中少量差分信号被转换成共模信号。随着电缆长度的增加，会出现多种差分和共模信号模式之间的转换。在电缆的末端，不需要的共模信号的存在可使差分信号失真，并出现不等幅和不完全相反的极性。这些失真通常被称为幅度不匹配和线对延迟差（intra-pair skew）。

如图9所示为一根10米屏蔽双绞线末端的幅度不匹配和线对延迟差。

在电缆的一端放置一个共模扼流圈，可以减少共模信号量，同时提高了电缆的平衡性。图10说明了一个共模扼流圈在复原差分信号为等幅和反相方面的能力。