共模干擾和差模干擾是電子、電氣產(chǎn)品上重要的干擾之一，它們可以對周?chē)a(chǎn)品的穩定性產(chǎn)生嚴重的影響。在對某些電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容性設計和測試的過(guò)程中，由于對各種電磁干擾采取的抑制措施不當而造成產(chǎn)品在進(jìn)行電磁兼容檢測時(shí)部分測試項目超標或通不過(guò)ＥＭＣ測試，從而造成了大量人力、財力的浪費。為了掌握電磁干擾抑制技術(shù)的一些特點(diǎn)，正確理解一些概念是十分必要的。共模干擾和差模干擾的概念就是這樣一種重要概念。正確理解和區分共模和差模干擾對于電子、電氣產(chǎn)品在設計過(guò)程中采取相應的抗干擾技術(shù)十分重要，也有利于提高產(chǎn)品的電磁兼容性。

 

 

2.1 共模干擾信號和差模干擾信號

 

對于形形色色的干擾信號對電子、電氣設備的影響可用圖２－１的示意圖來(lái)表示。其中把相線(xiàn)（Ｌ）與地（Ｅ）和中線(xiàn)（Ｎ）與地（Ｅ）間存在的電磁干擾（EMI）信號稱(chēng)為共模（Common Mode）干擾信號，即圖２－１中的電壓Ｕ１、Ｕ２；對Ｌ、Ｎ線(xiàn)而言，共模干擾信號可視為在Ｌ線(xiàn)和Ｎ線(xiàn)上傳輸的電位相等，相位相同的噪聲信號。把Ｌ線(xiàn)和Ｎ線(xiàn)之間存在的干擾信號稱(chēng)作差模（Diff-erential Mode）干擾信號，也可把它視為在Ｌ線(xiàn)和Ｎ線(xiàn)上有180°相位差的共模干擾信號。對于任何電源系統的傳導干擾信號，都可用共模和差模干擾信號來(lái)表示；并且可把Ｌ－Ｅ和Ｎ－Ｅ上的共模干擾信號、Ｌ－Ｎ上的差模干擾信號看作獨立的騷擾源，把Ｌ－Ｅ、Ｎ－Ｅ和Ｌ－Ｎ看作獨立的網(wǎng)絡(luò )端口，以便于分析ＥＭＩ信號和處理有關(guān)的濾波網(wǎng)絡(luò )。

 

2.2 共模電流和差模電流

 

干擾電流在導線(xiàn)上傳輸時(shí)有兩種方式：共模方式和差模方式，如圖２－２所示。一對導線(xiàn)上如流過(guò)差模電流則兩條線(xiàn)上的電流大小相等，方向相反；而一般有用信號也都是差模電流。一對導線(xiàn)上如流過(guò)共模電流則兩條線(xiàn)上的電流方向相同。干擾電流在導線(xiàn)上傳輸時(shí)既可以差模方式出現，也可以共模方式出現。但共模電流只有變成差模電流后，才能對有用信號構成干擾。

 

 

 

3.1 差模／共模干擾產(chǎn)生的原因

 

從上面的概念中，我們體會(huì )到：共模干擾電壓并不會(huì )影響電路的正常工作，因為相線(xiàn)Ｌ、中線(xiàn)Ｎ與回線(xiàn)之間的信號電壓并沒(méi)有因為干擾電壓存在而發(fā)生改變，而差模干擾電壓是引起電路故障的根本原因。因此，在實(shí)際設計抗干擾電路時(shí)，有人認為只要重點(diǎn)考慮濾除差模干擾就可以了，但事實(shí)并非如此簡(jiǎn)單，原因是：

 

（１）由于電路的不平衡性，相同的共模電壓會(huì )在信號線(xiàn)和信號地線(xiàn)上產(chǎn)生不同幅度的共模電流，從而產(chǎn)生差模電壓，形成干擾。

 

（２）共模電流會(huì )產(chǎn)生很強的輻射，對周?chē)碾娐沸纬奢椛湫愿蓴_，而電纜的共模輻射則是設備輻射干擾發(fā)射超標的主要原因之一。

 

一般情況下，電纜上產(chǎn)生共模電流的原因有三個(gè)方面：一個(gè)是外界電磁場(chǎng)在電纜中所有導線(xiàn)上感應出來(lái)的電壓（這個(gè)電壓相對于大地是等幅同相的），這個(gè)電壓產(chǎn)生電流；另一個(gè)原因是電纜兩端的設備所接的地電位不同，在這個(gè)地電位的驅動(dòng)下產(chǎn)生電流；第三個(gè)原因是設備上的電纜與大地之間的電位差，這樣電纜上會(huì )有共模電流。如果設備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，電纜會(huì )產(chǎn)生強烈的電磁輻射，對電子、電氣產(chǎn)品元器件產(chǎn)生電磁干擾，影響產(chǎn)品的性能指標。另外，當電路不平衡時(shí)，共模電流會(huì )轉變?yōu)椴钅ｋ娏?，差模電流對電路直接產(chǎn)生干擾影響。對于電子、電氣產(chǎn)品電路中的信號線(xiàn)及其回路而言：差模電流流過(guò)電路中的導線(xiàn)環(huán)路時(shí)，將引起差模輻射，這種環(huán)路相當于小環(huán)天線(xiàn)，能向空間輻射磁場(chǎng)，或接收磁場(chǎng)。因此，必須限制環(huán)路的大小和面積。

 

目標信號在電路中的傳輸，總是以雙線(xiàn)方式傳輸，習慣上稱(chēng)為信

號回路。但就干擾信號來(lái)說(shuō)，它進(jìn)入電磁設備傳輸就有可能出現兩種情況：一種情況是與目標信號一起沿正?；芈反牍ぷ鲉卧?，形成差模干擾；另一種情況是以傳輸目標信號的雙線(xiàn)作為一線(xiàn)，又以地為另一線(xiàn)所構成的傳輸回路，讓干擾信號進(jìn)入工作單元的模式，形成共模干擾。另一個(gè)值得注意的方面是，由于信號回路的雙線(xiàn)對地的電特性不一定完全平衡，于是有可能也形成差模干擾。

 

又從耦合的途徑來(lái)說(shuō)，差模干擾的出現，基本上是直接耦合的結果，而共模干擾的出現，多必是感應耦合和輻射耦合的結果，其強度則直接與回路的幾何形態(tài)、方向有關(guān)。

 

3.2 PCB上的干擾

 

一般說(shuō)來(lái)，PCB上的電路功能問(wèn)題主要是由差模電壓或電流造成的，而印制電路板向外的電磁輻射效應主要是由共模電壓或電流造成的。通常PCB上的差模和共模電壓或電流是由同一個(gè)物理層上的驅動(dòng)源（即同一個(gè)干擾源）產(chǎn)生的，共模電壓或電流是由差模電壓或電流經(jīng)某種機制轉換而來(lái)的。

 

圖３－１給出了PCB上最典型的差模電流和共模電流的情形。PCB上的差模電流通常是在印制電路板電路內部形成的，差模電源通常是電路中的信號電源。共模電流通常是信號線(xiàn)與地（包括接地層和結構地板）之間，通過(guò)分布電參數或公共阻抗形成的。PCB上的差模電流

和共模電流的基本概念及其等效電路如圖３－２所示。

 

 

共模電流可以通過(guò)接地結構或公共結構連接到PCB的輸入／輸出設備的電纜上，產(chǎn)生向外的輻射干擾影響。共模電流可以由布線(xiàn)層上的差模電流的影響而產(chǎn)生，通常都是由于PCB結構造成的由差模到共模的轉換機制產(chǎn)生的，特別是由于結構的非對稱(chēng)性，會(huì )使差模電流產(chǎn)生不平衡或不可對消的差模電流通量而導致共模電流。

 

3.3 差模輻射和共模輻射的模擬

 

差模電流流過(guò)電路中的導線(xiàn)環(huán)路時(shí)，將引起差模輻射，如圖３－３所示。這種環(huán)路相當于小環(huán)天線(xiàn)，能向空間輻射磁場(chǎng)，或接受外界的磁場(chǎng)。

 

當差模輻射用小環(huán)天線(xiàn)產(chǎn)生的輻射來(lái)模擬時(shí)，可設環(huán)路電流為Ｉ，環(huán)面積為Ｓ，在距離為ｒ的遠場(chǎng)，電場(chǎng)強度可由下面的電磁輻射模擬公式求得：

 

 

式中：

 

Ｅ——PCB空間ｒ處的輻射電場(chǎng)強度（Ｖ／ｍ）

 

f——PCB上的工作電流頻率（Ｈｚ）

 

S——PCB上的環(huán)路面積（m2）

 

Ｉ——PCB上的電流（Ａ）

 

ｒ——到PCB環(huán)路的距離（ｍ）

 

θ——測量天線(xiàn)與輻射平面的夾角（°）

 

式（１）表明，差模輻射與環(huán)電流和環(huán)面積成正比，與頻率的平方成正比。因此，可采用下述三種方法來(lái)抑制差模輻射：

 

減小電流幅度Ｉ；

 

減小信號頻率及其諧波，加大數字信號上升／下降沿（）為數子脈沖的上升／下降時(shí)間，數字脈沖頻譜寬度，實(shí)驗顯示實(shí)際輻射頻率f在0.1ＢＷ＜f＜10ＢＷ范圍內時(shí)產(chǎn)生的干擾較大；

 

減小環(huán)面積Ｓ，將信號線(xiàn)緊挨接地線(xiàn)。

 

 

在此，采用接地平面就能有效地減小接地系統中的地電位。地平面的一個(gè)主要好處是能夠使輻射的環(huán)路最小，這保證了PCB上的最小差模輻射和對外界干擾的敏感度，從EMC的角度看，地線(xiàn)面的主要作用是減小地線(xiàn)阻抗，從而減小地線(xiàn)騷擾。當不使用地線(xiàn)面時(shí)，為了達到同樣的效果，必須在高頻電路或敏感電路的鄰近位置設置一根地線(xiàn)。

 

共模輻射是由于接地電路中存在電壓降，某些部位具有高電位的共模電壓，即在同一塊PCB上，存在不同電位差的電位分布區域，當外接電纜與這些部位連接時(shí)，就會(huì )在共模電壓激勵下形成共模電流，成為輻射電場(chǎng)的天線(xiàn)，如圖３－４所示，這多是由于接地系統中存在電壓降所造成的。共模輻射通常決定了產(chǎn)品的輻射性能。

 

 

共模輻射可用對地電壓激勵的、長(cháng)度小于1/4波長(cháng)的短單極天線(xiàn)來(lái)模擬，例如外接電纜的共模輻射，如圖３－４所示。對于接地平面上長(cháng)度為ｌ的短單極天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，在遠場(chǎng)ｒ處的電場(chǎng)強度為：

 

(2)

 

上式中l為天線(xiàn)長(cháng)度（ｍ）

 

式（２）表明，共模輻射與頻率f、共模電流Ｉ及天線(xiàn)長(cháng)度l成正比，應分別予以限制，而限制共模電流Ｉ是減小共模輻射的基本方法。為此，需要做到以下幾點(diǎn)：

 

（１）盡量減小激勵此天線(xiàn)的源電壓，即地電位；

 

（２）提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗，即加共模扼流圈；

 

（３）將共模電流旁路到地。在設計PCB電路時(shí)，印制線(xiàn)的長(cháng)度應盡可能短而寬。具體情況下，天線(xiàn)的總長(cháng)度大于λ/20后，天線(xiàn)的輻射才可能有效。當天線(xiàn)的長(cháng)度與干擾波的波長(cháng)符合下面關(guān)系

時(shí)，輻射的能量最大。

 

（3）

 

因此，為了減少電流輻射的干擾能量，應根據預測或測量到的電磁波頻率、并根據印制線(xiàn)的長(cháng)度和其輻射頻率的響應關(guān)系，合理地設計PCB中線(xiàn)路的長(cháng)度，使其組成的共模天線(xiàn)尺寸小于或不滿(mǎn)足關(guān)系式（3）。

 

3.4 從頻率上判斷干擾的方法

 

從干擾信號的頻率上識別和判斷差模干擾和共模干擾的方法：差模干擾一般頻率較低，主要集中在1MHz以下，共模干擾主要集中在1MHz以上。這是由于共模干擾是通過(guò)空間感應到電纜上的，這種感應只有在較高頻率時(shí)才容易發(fā)生。但有一個(gè)例外，當電纜從很強的磁場(chǎng)輻射源（如開(kāi)關(guān)電源）旁路通過(guò)時(shí)，也會(huì )感應上頻率較低的共模干擾。

 

 

在產(chǎn)品設計過(guò)程中，合理的電路布局、良好的接地系統能增強產(chǎn)品的抗干擾能力，但是對于產(chǎn)品中和電纜上存在的差模干擾和共模干擾，在電路設計和試驗過(guò)程中應進(jìn)行特殊處理，才能有效地抑制來(lái)自電源線(xiàn)或信號線(xiàn)的射頻干擾。

 

對某些電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)行傳導抗擾度測試表明，合理的布局，對關(guān)鍵電路的處理，能有效保護敏感元器件不受電磁干擾的影響，增強產(chǎn)品的抗干擾能力。對接地系統的正確選擇，不但可以減少產(chǎn)品內部高、低頻電路的相互影響，還能減小地環(huán)路的干擾，抑制來(lái)自信號線(xiàn)或電源線(xiàn)的差模干擾。關(guān)于產(chǎn)品的接地，從電路參考點(diǎn)的角度考慮，接地可分為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地三種，讀者可參閱相關(guān)資料，此處不再贅述。

 

在電子、電氣產(chǎn)品的設計過(guò)程中，可以采用下述方法對差模干擾和共模干擾進(jìn)行抑制。

 

4.1 加共模／差模扼流圈

 

在電子、電氣產(chǎn)品的信號線(xiàn)或電源線(xiàn)輸入端口加共模扼流圈抑制共模電流干擾，加差模扼流圈抑制差模電流干擾。

 

共模濾波和差模濾波的不同點(diǎn)在于旁路電容的連接方式和電感線(xiàn)圈的制作方法上。在共模濾波中，旁路電容要連接在被濾波導線(xiàn)與共模電壓參考地之間；差模濾波中，旁路電容連接在信號線(xiàn)和信號地線(xiàn)之間。差模扼流圈是將線(xiàn)圈繞在一個(gè)獨立的磁芯上，如圖４－１（ａ）所示，該線(xiàn)圈在繞制過(guò)程中要防止磁芯發(fā)生磁飽和。共模扼流圈是將信號線(xiàn)及其回線(xiàn)繞在同一個(gè)磁芯上，繞制的方法是使流過(guò)兩個(gè)繞組的差模電流在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，如圖４－1（ｂ）所示。共模扼流圈可以使直流和低頻時(shí)的差模電流通過(guò)，但對于高頻共模電流則呈現很大阻抗而被抑制。對于絕緣要求不高的信號線(xiàn)，可以采用雙線(xiàn)共繞的方法構成共模扼流圈，如圖４－1（ｃ）所示，對于交流電源線(xiàn)考慮到兩根線(xiàn)之間必須承受較高的電壓，兩根線(xiàn)必須分開(kāi)繞。

 

圖４－１?差模扼流圈和共模扼流圈的結構

 

共模扼流圈一般采用在導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料上繞制，因為鐵氧體的導磁率很高，可以獲得很大的電感量，而由于共模扼流圈的特殊繞制方法，沒(méi)有磁芯飽和的危險。差模扼流圈一般在鐵粉磁芯上繞制，通過(guò)減小磁芯中的磁通密度來(lái)避免飽和。

 

4.2 加低通濾波電路

 

在進(jìn)行干擾抑制時(shí)，可在電子、電氣產(chǎn)品的信號線(xiàn)或電源線(xiàn)輸入端口增加簡(jiǎn)單的低通濾波電路。通常的低通濾波器是用電感和電容組合而成的，電容并聯(lián)在要濾波的信號線(xiàn)與信號地線(xiàn)之間（濾除差模干擾電流），或信號線(xiàn)與機殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯(lián)在要濾波的信號線(xiàn)上。常見(jiàn)的濾波電路見(jiàn)圖４－２所示。

 

圖４－２常見(jiàn)濾波電路

 

使用單電容和單電感電路，在某一頻率上會(huì )有改善，但是可能在另一頻率上會(huì )引入新的干擾。在實(shí)際測試中，應根據測試結果選擇電容和電感，或使用LC濾波電路，常見(jiàn)的LC濾波電路如圖４－３所示。

 

圖４－３LC濾波電路

 

使用LC濾波電路，可根據公式計算電路的諧振頻率，在測試過(guò)程中，調整電感、電容，使諧振頻率與產(chǎn)品的干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對頻率很高的電磁干擾，可以使用三端電容或穿心電容進(jìn)行濾波。

 

4.3 差模干擾和共模干擾的抑制
 

對于差模噪聲，減少干擾的方法是在信號線(xiàn)和電源線(xiàn)上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容或用電容或電感組成低通濾波器，來(lái)減小高頻的噪聲，阻止干擾電流流入電路，如圖４－４（ａ）所示；對于共模噪聲，減小干擾的方法是在信號線(xiàn)或電源線(xiàn)中串聯(lián)共模扼流圈，在地與導線(xiàn)之間并聯(lián)電容器，組成ＬＣ濾波器進(jìn)行濾波，濾去共模噪聲，如圖４－４（ｂ）所

示。

 

圖４－４差模噪聲和共模噪聲的抑制

 

 

在電子、電氣產(chǎn)品中，干擾的來(lái)源比較復雜，而差模干擾和共模干擾一直是阻礙產(chǎn)品順利通過(guò)電磁兼容檢測的主要因素之一。要抑制產(chǎn)品產(chǎn)生的差模干擾和共模干擾，事后的對策無(wú)論從電路改進(jìn)或外部結構上進(jìn)行補救，都不是解決問(wèn)題的萬(wàn)全之策，最好的方法還是在產(chǎn)品的設計過(guò)程中便考慮到各類(lèi)干擾問(wèn)題，采取相應的抗干擾技術(shù)來(lái)濾除和抑制電磁干擾，才能使產(chǎn)品達到抗電磁干擾的要求，提高其電磁

兼容性。

 

參考文獻：

 

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