【導(dǎo)讀】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，它們可以對周圍產(chǎn)品的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。文章介紹了共模干擾和差模干擾的概念及特點(diǎn)，對共模干擾和差模干擾的抑制技術(shù)進(jìn)行了分析與研究，并對產(chǎn)品在抗干擾方面的設(shè)計提出了若干建議。
1 引言
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，它們可以對周圍產(chǎn)品的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在對某些電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計和測試的過程中，由于對各種電磁干擾采取的抑制措施不當(dāng)而造成產(chǎn)品在進(jìn)行電磁兼容檢測時部分測試項目超標(biāo)或通不過ＥＭＣ測試，從而造成了大量人力、財力的浪費(fèi)。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(qū)分共模和差模干擾對于電子、電氣產(chǎn)品在設(shè)計過程中采取相應(yīng)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 共模干擾和差模干擾
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(shè)備的影響可用圖２－１的示意圖來表示。其中把相線（Ｌ）與地（Ｅ）和中線（Ｎ）與地（Ｅ）間存在的電磁干擾（EMI）信號稱為共模（Common Mode）干擾信號，即圖２－１中的電壓Ｕ１、Ｕ２；對Ｌ、Ｎ線而言，共模干擾信號可視為在Ｌ線和Ｎ線上傳輸?shù)碾娢幌嗟?，相位相同的噪聲信號。把Ｌ線和Ｎ線之間存在的干擾信號稱作差模（Diff-erential Mode）干擾信號，也可把它視為在Ｌ線和Ｎ線上有180°相位差的共模干擾信號。對于任何電源系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾信號，都可用共模和差模干擾信號來表示；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(dú)立的騷擾源，把Ｌ－Ｅ、Ｎ－Ｅ和Ｌ－Ｎ看作獨(dú)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(dǎo)線上傳輸時有兩種方式：共模方式和差模方式，如圖２－２所示。一對導(dǎo)線上如流過差模電流則兩條線上的電流大小相等，方向相反；而一般有用信號也都是差模電流。一對導(dǎo)線上如流過共模電流則兩條線上的電流方向相同。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時既可以差模方式出現(xiàn)，也可以共模方式出現(xiàn)。但共模電流只有變成差模電流后，才能對有用信號構(gòu)成干擾。
3 干擾產(chǎn)生的原因
3.1 差模／共模干擾產(chǎn)生的原因
從上面的概念中，我們體會到：共模干擾電壓并不會影響電路的正常工作，因為相線Ｌ、中線Ｎ與回線之間的信號電壓并沒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(shè)計抗干擾電路時，有人認(rèn)為只要重點(diǎn)考慮濾除差模干擾就可以了，但事實(shí)并非如此簡單，原因是：
（１）由于電路的不平衡性，相同的共模電壓會在信號線和信號地線上產(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）共模電流會產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射，對周圍的電路形成輻射性干擾，而電纜的共模輻射則是設(shè)備輻射干擾發(fā)射超標(biāo)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方面：一個是外界電磁場在電纜中所有導(dǎo)線上感應(yīng)出來的電壓（這個電壓相對于大地是等幅同相的），這個電壓產(chǎn)生電流；另一個原因是電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同，在這個地電位的驅(qū)動下產(chǎn)生電流；第三個原因是設(shè)備上的電纜與大地之間的電位差，這樣電纜上會有共模電流。如果設(shè)備在其電纜上產(chǎn)生共模電流，電纜會產(chǎn)生強(qiáng)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(biāo)。另外，當(dāng)電路不平衡時，共模電流會轉(zhuǎn)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)品電路中的信號線及其回路而言：差模電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時，將引起差模輻射，這種環(huán)路相當(dāng)于小環(huán)天線，能向空間輻射磁場，或接收磁場。因此，必須限制環(huán)路的大小和面積。
目標(biāo)信號在電路中的傳輸，總是以雙線方式傳輸，習(xí)慣上稱為信
號回路。但就干擾信號來說，它進(jìn)入電磁設(shè)備傳輸就有可能出現(xiàn)兩種情況：一種情況是與目標(biāo)信號一起沿正?；芈反牍ぷ鲉卧纬刹钅８蓴_；另一種情況是以傳輸目標(biāo)信號的雙線作為一線，又以地為另一線所構(gòu)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。另一個值得注意的方面是，由于信號回路的雙線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。
又從耦合的途徑來說，差模干擾的出現(xiàn)，基本上是直接耦合的結(jié)果，而共模干擾的出現(xiàn)，多必是感應(yīng)耦合和輻射耦合的結(jié)果，其強(qiáng)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
一般說來，PCB上的電路功能問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(yīng)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物理層上的驅(qū)動源（即同一個干擾源）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(jī)制轉(zhuǎn)換而來的。
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(nèi)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與地（包括接地層和結(jié)構(gòu)地板）之間，通過分布電參數(shù)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。
共模電流可以通過接地結(jié)構(gòu)或公共結(jié)構(gòu)連接到PCB的輸入／輸出設(shè)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層上的差模電流的影響而產(chǎn)生，通常都是由于PCB結(jié)構(gòu)造成的由差模到共模的轉(zhuǎn)換機(jī)制產(chǎn)生的，特別是由于結(jié)構(gòu)的非對稱性，會使差模電流產(chǎn)生不平衡或不可對消的差模電流通量而導(dǎo)致共模電流。
3.3 差模輻射和共模輻射的模擬
差模電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時，將引起差模輻射，如圖３－３所示。這種環(huán)路相當(dāng)于小環(huán)天線，能向空間輻射磁場，或接受外界的磁場。
當(dāng)差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬時，可設(shè)環(huán)路電流為Ｉ，環(huán)面積為Ｓ，在距離為ｒ的遠(yuǎn)場，電場強(qiáng)度可由下面的電磁輻射模擬公式求得：
式中：
Ｅ——PCB空間ｒ處的輻射電場強(qiáng)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(shù)字信號上升／下降沿
（
）為數(shù)子脈沖的上升／下降時間，數(shù)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(nèi)時產(chǎn)生的干擾較大；
（）為數(shù)子脈沖的上升／下降時間，數(shù)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(nèi)時產(chǎn)生的干擾較大；減小環(huán)面積Ｓ，將信號線緊挨接地線。
在此，采用接地平面就能有效地減小接地系統(tǒng)中的地電位。地平面的一個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，地線面的主要作用是減小地線阻抗，從而減小地線騷擾。當(dāng)不使用地線面時，為了達(dá)到同樣的效果，必須在高頻電路或敏感電路的鄰近位置設(shè)置一根地線。
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(qū)域，當(dāng)外接電纜與這些部位連接時，就會在共模電壓激勵下形成共模電流，成為輻射電場的天線，如圖３－４所示，這多是由于接地系統(tǒng)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、長度小于1/4波長的短單極天線來模擬，例如外接電纜的共模輻射，如圖３－４所示。對于接地平面上長度為ｌ的短單極天線來說，在遠(yuǎn)場ｒ處的電場強(qiáng)度為：
(2)上式中l(wèi)為天線長度（ｍ）
式（２）表明，共模輻射與頻率f、共模電流Ｉ及天線長度l成正比，應(yīng)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(shè)計PCB電路時，印制線的長度應(yīng)盡可能短而寬。具體情況下，天線的總長度大于λ/20后，天線的輻射才可能有效。當(dāng)天線的長度與干擾波的波長符合下面關(guān)系
時，輻射的能量最大。
（3）因此，為了減少電流輻射的干擾能量，應(yīng)根據(jù)預(yù)測或測量到的電磁波頻率、并根據(jù)印制線的長度和其輻射頻率的響應(yīng)關(guān)系，合理地設(shè)計PCB中線路的長度，使其組成的共模天線尺寸小于或不滿足關(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空間感應(yīng)到電纜上的，這種感應(yīng)只有在較高頻率時才容易發(fā)生。但有一個例外，當(dāng)電纜從很強(qiáng)的磁場輻射源（如開關(guān)電源）旁路通過時，也會感應(yīng)上頻率較低的共模干擾。
4 干擾的抑制技術(shù)
在產(chǎn)品設(shè)計過程中，合理的電路布局、良好的接地系統(tǒng)能增強(qiáng)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(shè)計和試驗過程中應(yīng)進(jìn)行特殊處理，才能有效地抑制來自電源線或信號線的射頻干擾。
對某些電子、電氣產(chǎn)品進(jìn)行傳導(dǎo)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(hù)敏感元器件不受電磁干擾的影響，增強(qiáng)產(chǎn)品的抗干擾能力。對接地系統(tǒng)的正確選擇，不但可以減少產(chǎn)品內(nèi)部高、低頻電路的相互影響，還能減小地環(huán)路的干擾，抑制來自信號線或電源線的差模干擾。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(shè)計過程中，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)品的信號線或電源線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(dǎo)線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和信號地線之間。差模扼流圈是將線圈繞在一個獨(dú)立的磁芯上，如圖４－１（ａ）所示，該線圈在繞制過程中要防止磁芯發(fā)生磁飽和。共模扼流圈是將信號線及其回線繞在同一個磁芯上，繞制的方法是使流過兩個繞組的差模電流在磁芯中產(chǎn)生的磁場方向相反，如圖４－1（ｂ）所示。共模扼流圈可以使直流和低頻時的差模電流通過，但對于高頻共模電流則呈現(xiàn)很大阻抗而被抑制。對于絕緣要求不高的信號線，可以采用雙線共繞的方法構(gòu)成共模扼流圈，如圖４－1（ｃ）所示，對于交流電源線考慮到兩根線之間必須承受較高的電壓，兩根線必須分開繞。
圖４－１?差模扼流圈和共模扼流圈的結(jié)構(gòu)
共模扼流圈一般采用在導(dǎo)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(dǎo)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，通過減小磁芯中的磁通密度來避免飽和。
4.2 加低通濾波電路
在進(jìn)行干擾抑制時，可在電子、電氣產(chǎn)品的信號線或電源線輸入端口增加簡單的低通濾波電路。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)在要濾波的信號線與信號地線之間（濾除差模干擾電流），或信號線與機(jī)殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯(lián)在要濾波的信號線上。常見的濾波電路見圖４－２所示。
圖４－２常見濾波電路
使用單電容和單電感電路，在某一頻率上會有改善，但是可能在另一頻率上會引入新的干擾。在實(shí)際測試中，應(yīng)根據(jù)測試結(jié)果選擇電容和電感，或使用LC濾波電路，常見的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(jù)公式
計算電路的諧振頻率，在測試過程中，調(diào)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。
計算電路的諧振頻率，在測試過程中，調(diào)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和電源線上串聯(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或電源線中串聯(lián)共模扼流圈，在地與導(dǎo)線之間并聯(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
5 結(jié)束語
在電子、電氣產(chǎn)品中，干擾的來源比較復(fù)雜，而差模干擾和共模干擾一直是阻礙產(chǎn)品順利通過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，事后的對策無論從電路改進(jìn)或外部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行補(bǔ)救，都不是解決問題的萬全之策，最好的方法還是在產(chǎn)品的設(shè)計過程中便考慮到各類干擾問題，采取相應(yīng)的抗干擾技術(shù)來濾除和抑制電磁干擾，才能使產(chǎn)品達(dá)到抗電磁干擾的要求，提高其電磁
兼容性。
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