【導讀】共模干擾和差模干擾是電子、電氣產品上重要的干擾之一，它們可以對周圍產品的穩定性產生嚴重的影響。文章介紹了共模干擾和差模干擾的概念及特點，對共模干擾和差模干擾的抑制技術進行了分析與研究，并對產品在抗干擾方面的設計提出了若干建議。
1 引言
共模干擾和差模干擾是電子、電氣產品上重要的干擾之一，它們可以對周圍產品的穩定性產生嚴重的影響。在對某些電子、電氣產品進行電磁兼容性設計和測試的過程中，由于對各種電磁干擾采取的抑制措施不當而造成產品在進行電磁兼容檢測時部分測試項目超標或通不過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的一些特點，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、電氣產品在設計過程中采取相應的抗干擾技術十分重要，也有利于提高產品的電磁兼容性。
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線上傳輸的電位相等，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。對于任何電源系統的傳導干擾信號，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立的騷擾源，把Ｌ－Ｅ、Ｎ－Ｅ和Ｌ－Ｎ看作獨立的網絡端口，以便于分析ＥＭＩ信號和處理有關的濾波網絡。
2.2 共模電流和差模電流
干擾電流在導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。干擾電流在導線上傳輸時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 干擾產生的原因
3.1 差模／共模干擾產生的原因
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，在實際設計抗干擾電路時，有人認為只要重點考慮濾除差模干擾就可以了，但事實并非如此簡單，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生不同幅度的共模電流，從而產生差模電壓，形成干擾。
（２）共模電流會產生很強的輻射，對周圍的電路形成輻射性干擾，而電纜的共模輻射則是設備輻射干擾發射超標的主要原因之一。
一般情況下，電纜上產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線上感應出來的電壓（這個電壓相對于大地是等幅同相的），這個電壓產生電流；另一個原因是電纜兩端的設備所接的地電位不同，在這個地電位的驅動下產生電流；第三個原因是設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。如果設備在其電纜上產生共模電流，電纜會產生強烈的電磁輻射，對電子、電氣產品元器件產生電磁干擾，影響產品的性能指標。另外，當電路不平衡時，共模電流會轉變為差模電流，差模電流對電路直接產生干擾影響。對于電子、電氣產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線環路時，將引起差模輻射，這種環路相當于小環天線，能向空間輻射磁場，或接收磁場。因此，必須限制環路的大小和面積。
目標信號在電路中的傳輸，總是以雙線方式傳輸，習慣上稱為信
號回路。但就干擾信號來說，它進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常回路串入工作單元，形成差模干擾；另一種情況是以傳輸目標信號的雙線作為一線，又以地為另一線所構成的傳輸回路，讓干擾信號進入工作單元的模式，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，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、方向有關。
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動源（即同一個干擾源）產生的，共模電壓或電流是由差模電壓或電流經某種機制轉換而來的。
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（包括接地層和結構地板）之間，通過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生的，特別是由于結構的非對稱性，會使差模電流產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
差模電流流過電路中的導線環路時，將引起差模輻射，如圖３－３所示。這種環路相當于小環天線，能向空間輻射磁場，或接受外界的磁場。
當差模輻射用小環天線產生的輻射來模擬時，可設環路電流為Ｉ，環面積為Ｓ，在距離為ｒ的遠場，電場強度可由下面的電磁輻射模擬公式求得：
式中：
Ｅ——PCB空間ｒ處的輻射電場強度（Ｖ／ｍ）
f——PCB上的工作電流頻率（Ｈｚ）
S——PCB上的環路面積（m2）
Ｉ——PCB上的電流（Ａ）
ｒ——到PCB環路的距離（ｍ）
θ——測量天線與輻射平面的夾角（°）
式（１）表明，差模輻射與環電流和環面積成正比，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，加大數字信號上升／下降沿
（
）為數子脈沖的上升／下降時間，數字脈沖頻譜寬度
，實驗顯示實際輻射頻率f在0.1ＢＷ＜f＜10ＢＷ范圍內時產生的干擾較大；
（）為數子脈沖的上升／下降時間，數字脈沖頻譜寬度，實驗顯示實際輻射頻率f在0.1ＢＷ＜f＜10ＢＷ范圍內時產生的干擾較大；減小環面積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中的地電位。地平面的一個主要好處是能夠使輻射的環路最小，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。當不使用地線面時，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。
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，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中存在電壓降所造成的。共模輻射通常決定了產品的輻射性能。
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，在遠場ｒ處的電場強度為：
(2)上式中l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：
（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，印制線的長度應盡可能短而寬。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。當天線的長度與干擾波的波長符合下面關系
時，輻射的能量最大。
（3）因此，為了減少電流輻射的干擾能量，應根據預測或測量到的電磁波頻率、并根據印制線的長度和其輻射頻率的響應關系，合理地設計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到電纜上的，這種感應只有在較高頻率時才容易發生。但有一個例外，當電纜從很強的磁場輻射源（如開關電源）旁路通過時，也會感應上頻率較低的共模干擾。
4 干擾的抑制技術
在產品設計過程中，合理的電路布局、良好的接地系統能增強產品的抗干擾能力，但是對于產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程中應進行特殊處理，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、電氣產品進行傳導抗擾度測試表明，合理的布局，對關鍵電路的處理，能有效保護敏感元器件不受電磁干擾的影響，增強產品的抗干擾能力。對接地系統的正確選擇，不但可以減少產品內部高、低頻電路的相互影響，還能減小地環路的干擾，抑制來自信號線或電源線的差模干擾。關于產品的接地，從電路參考點的角度考慮，接地可分為單點接地、多點接地和混合接地三種，讀者可參閱相關資料，此處不再贅述。
在電子、電氣產品的設計過程中，可以采用下述方法對差模干擾和共模干擾進行抑制。
4.1 加共模／差模扼流圈
在電子、電氣產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
在進行干擾抑制時，可在電子、電氣產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），或信號線與機殼地或大地之間（濾除共模干擾電流），電感串聯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，在測試過程中，調整電感、電容，使諧振頻率與產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行濾波。
計算電路的諧振頻率，在測試過程中，調整電感、電容，使諧振頻率與產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差模扼流圈、并聯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共模扼流圈，在地與導線之間并聯電容器，組成ＬＣ濾波器進行濾波，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 結束語
在電子、電氣產品中，干擾的來源比較復雜，而差模干擾和共模干擾一直是阻礙產品順利通過電磁兼容檢測的主要因素之一。要抑制產品產生的差模干擾和共模干擾，事后的對策無論從電路改進或外部結構上進行補救，都不是解決問題的萬全之策，最好的方法還是在產品的設計過程中便考慮到各類干擾問題，采取相應的抗干擾技術來濾除和抑制電磁干擾，才能使產品達到抗電磁干擾的要求，提高其電磁
兼容性。
參考文獻：
［１］ 楊繼深． 差模干擾和共模干擾［Ｊ］．安全與電磁兼容，2002（２）.
［２］ 王慶斌，劉萍，尤利文，林嘯天．電磁干擾與電磁兼容技術［Ｍ］．北京：機械工業出版社，2003．２.
［３］ 劉寶殿，盧民牛，王 南．無繩電話射頻場感應傳導騷擾抗擾度測試［Ｊ］．安全與電磁兼容，2003（４）.
［４］ 白同云，呂曉德． 電磁兼容設計［Ｍ］．北京：北京郵電大學出版社，2001.3.
［５］ 陳窮，蔣全興，周開基，王素英．電磁兼容性工程設計手冊［Ｍ］．北京：國防工業出版社，1993.10.
［６］ 祝長青．多層印制電路板抗快速瞬變脈沖群干擾的電磁兼容性設計［Ｊ］．電源世界2005.（４）.
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