共模干扰和差模干扰及其抑制技术

1 引言

共模干扰和差模干扰是电子、电气产品上重要的干扰之一，它们可以对周围产品的稳定性产生严重的影响。在对某些电子、电气产品进行电磁兼容性设计和测试的过程中，由于对各种电磁干扰采取的抑制措施不当而造成产品在进行电磁兼容检测时部分测试项目超标或通不过ＥＭＣ测试，从而造成了大量人力、财力的浪费。为了掌握电磁干扰抑制技术的一些特点，正确理解一些概念是十分必要的。共模干扰和差模干扰的概念就是这样一种重要概念。正确理解和区分共模和差模干扰对于电子、电气产品在设计过程中采取相应的抗干扰技术十分重要，也有利于提高产品的电磁兼容性。

2 共模干扰和差模干扰

2.1 共模干扰信号和差模干扰信号

对于形形色色的干扰信号对电子、电气设备的影响可用图２－１的示意图来表示。其中把相线（Ｌ）与地（Ｅ）和中线（Ｎ）与地（Ｅ）间存在的电磁干扰（EMI）信号称为共模（Common Mode）干扰信号，即图２－１中的电压Ｕ１、Ｕ２；对Ｌ、Ｎ线而言，共模干扰信号可视为在Ｌ线和Ｎ线上传输的电位相等，相位相同的噪声信号。把Ｌ线和Ｎ线之间存在的干扰信号称作差模（Diff-erential Mode）干扰信号，也可把它视为在Ｌ线和Ｎ线上有180°相位差的共模干扰信号。对于任何电源系统的传导干扰信号，都可用共模和差模干扰信号来表示；并且可把Ｌ－Ｅ和Ｎ－Ｅ上的共模干扰信号、Ｌ－Ｎ上的差模干扰信号看作独立的骚扰源，把Ｌ－Ｅ、Ｎ－Ｅ和Ｌ－Ｎ看作独立的网络端口，以便于分析ＥＭＩ信号和处理有关的滤波网络。

2.2 共模电流和差模电流

干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式，如图２－２所示。一对导线上如流过差模电流则两条线上的电流大小相等，方向相反；而一般有用信号也都是差模电流。一对导线上如流过共模电流则两条线上的电流方向相同。干扰电流在导线上传输时既可以差模方式出现，也可以共模方式出现。但共模电流只有变成差模电流后，才能对有用信号构成干扰。

3 干扰产生的原因

3.1 差模／共模干扰产生的原因

从上面的概念中，我们体会到：共模干扰电压并不会影响电路的正常工作，因为相线Ｌ、中线Ｎ与回线之间的信号电压并没有因为干扰电压存在而发生改变，而差模干扰电压是引起电路故障的根本原因。因此，在实际设计抗干扰电路时，有人认为只要重点考虑滤除差模干扰就可以了，但事实并非如此简单，原因是：

（１）由于电路的不平衡性，相同的共模电压会在信号线和信号地线上产生不同幅度的共模电流，从而产生差模电压，形成干扰。

（２）共模电流会产生很强的辐射，对周围的电路形成辐射性干扰，而电缆的共模辐射则是设备辐射干扰发射超标的主要原因之一。

一般情况下，电缆上产生共模电流的原因有三个方面：一个是外界电磁场在电缆中所有导线上感应出来的电压（这个电压相对于大地是等幅同相的），这个电压产生电流；另一个原因是电缆两端的设备所接的地电位不同，在这个地电位的驱动下产生电流；第三个原因是设备上的电缆与大地之间的电位差，这样电缆上会有共模电流。如果设备在其电缆上产生共模电流，电缆会产生强烈的电磁辐射，对电子、电气产品元器件产生电磁干扰，影响产品的性能指标。另外，当电路不平衡时，共模电流会转变为差模电流，差模电流对电路直接产生干扰影响。对于电子、电气产品电路中的信号线及其回路而言：差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射，这种环路相当于小环天线，能向空间辐射磁场，或接收磁场。因此，必须限制环路的大小和面积。

目标信号在电路中的传输，总是以双线方式传输，习惯上称为信

号回路。但就干扰信号来说，它进入电磁设备传输就有可能出现两种情况：一种情况是与目标信号一起沿正常回路串入工作单元，形成差模干扰；另一种情况是以传输目标信号的双线作为一线，又以地为另一线所构成的传输回路，让干扰信号进入工作单元的模式，形成共模干扰。另一个值得注意的方面是，由于信号回路的双线对地的电特性不一定完全平衡，于是有可能也形成差模干扰。

又从耦合的途径来说，差模干扰的出现，基本上是直接耦合的结果，而共模干扰的出现，多必是感应耦合和辐射耦合的结果，其强度则直接与回路的几何形态、方向有关。

3.2 PCB上的干扰

一般说来，PCB上的电路功能问题主要是由差模电压或电流造成的，而印制电路板向外的电磁辐射效应主要是由共模电压或电流造成的。通常PCB上的差模和共模电压或电流是由同一个物理层上的驱动源（即同一个干扰源）产生的，共模电压或电流是由差模电压或电流经某种机制转换而来的。

图３－１给出了PCB上最典型的差模电流和共模电流的情形。PCB上的差模电流通常是在印制电路板电路内部形成的，差模电源通常是电路中的信号电源。共模电流通常是信号线与地（包括接地层和结构地板）之间，通过分布电参数或公共阻抗形成的。PCB上的差模电流

和共模电流的基本概念及其等效电路如图３－２所示。

共模电流可以通过接地结构或公共结构连接到PCB的输入／输出设备的电缆上，产生向外的辐射干扰影响。共模电流可以由布线层上的差模电流的影响而产生，通常都是由于PCB结构造成的由差模到共模的转换机制产生的，特别是由于结构的非对称性，会使差模电流产生不平衡或不可对消的差模电流通量而导致共模电流。

3.3 差模辐射和共模辐射的模拟

差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射，如图３－３所示。这种环路相当于小环天线，能向空间辐射磁场，或接受外界的磁场。

当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，可设环路电流为Ｉ，环面积为Ｓ，在距离为ｒ的远场，电场强度可由下面的电磁辐射模拟公式求得：

式中：

Ｅ——PCB空间ｒ处的辐射电场强度（Ｖ／ｍ）

f——PCB上的工作电流频率（Ｈｚ）

S——PCB上的环路面积（m2）

Ｉ——PCB上的电流（Ａ）

ｒ——到PCB环路的距离（ｍ）

θ——测量天线与辐射平面的夹角（°）

式（１）表明，差模辐射与环电流和环面积成正比，与频率的平方成正比。因此，可采用下述三种方法来抑制差模辐射：

减小电流幅度Ｉ；

减小信号频率及其谐波，加大数字信号上升／下降沿（）为数子脉冲的上升／下降时间，数字脉冲频谱宽度，实验显示实际辐射频率f在0.1ＢＷ＜f＜10ＢＷ范围内时产生的干扰较大；

减小环面积Ｓ，将信号线紧挨接地线。

在此，采用接地平面就能有效地减小接地系统中的地电位。地平面的一个主要好处是能够使辐射的环路最小，这保证了PCB上的最小差模辐射和对外界干扰的敏感度，从EMC的角度看，地线面的主要作用是减小地线阻抗，从而减小地线骚扰。当不使用地线面时，为了达到同样的效果，必须在高频电路或敏感电路的邻近位置设置一根地线。

共模辐射是由于接地电路中存在电压降，某些部位具有高电位的共模电压，即在同一块PCB上，存在不同电位差的电位分布区域，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下形成共模电流，成为辐射电场的天线，如图３－４所示，这多是由于接地系统中存在电压降所造成的。共模辐射通常决定了产品的辐射性能。

共模辐射可用对地电压激励的、长度小于1/4波长的短单极天线来模拟，例如外接电缆的共模辐射，如图３－４所示。对于接地平面上长度为ｌ的短单极天线来说，在远场ｒ处的电场强度为：

(2)

上式中l为天线长度（ｍ）

式（２）表明，共模辐射与频率f、共模电流Ｉ及天线长度l成正比，应分别予以限制，而限制共模电流Ｉ是减小共模辐射的基本方法。为此，需要做到以下几点：

（１）尽量减小激励此天线的源电压，即地电位；

（２）提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈；

（３）将共模电流旁路到地。在设计PCB电路时，印制线的长度应尽可能短而宽。具体情况下，天线的总长度大于λ/20后，天线的辐射才可能有效。当天线的长度与干扰波的波长符合下面关系

时，辐射的能量最大。

（3）

因此，为了减少电流辐射的干扰能量，应根据预测或测量到的电磁波频率、并根据印制线的长度和其辐射频率的响应关系，合理地设计PCB中线路的长度，使其组成的共模天线尺寸小于或不满足关系式（3）。

3.4 从频率上判断干扰的方法

从干扰信号的频率上识别和判断差模干扰和共模干扰的方法：差模干扰一般频率较低，主要集中在1MHz以下，共模干扰主要集中在1MHz以上。这是由于共模干扰是通过空间感应到电缆上的，这种感应只有在较高频率时才容易发生。但有一个例外，当电缆从很强的磁场辐射源（如开关电源）旁路通过时，也会感应上频率较低的共模干扰。

4 干扰的抑制技术

在产品设计过程中，合理的电路布局、良好的接地系统能增强产品的抗干扰能力，但是对于产品中和电缆上存在的差模干扰和共模干扰，在电路设计和试验过程中应进行特殊处理，才能有效地抑制来自电源线或信号线的射频干扰。

对某些电子、电气产品进行传导抗扰度测试表明，合理的布局，对关键电路的处理，能有效保护敏感元器件不受电磁干扰的影响，增强产品的抗干扰能力。对接地系统的正确选择，不但可以减少产品内部高、低频电路的相互影响，还能减小地环路的干扰，抑制来自信号线或电源线的差模干扰。关于产品的接地，从电路参考点的角度考虑，接地可分为单点接地、多点接地和混合接地三种，读者可参阅相关资料，此处不再赘述。

在电子、电气产品的设计过程中，可以采用下述方法对差模干扰和共模干扰进行抑制。

4.1 加共模／差模扼流圈

在电子、电气产品的信号线或电源线输入端口加共模扼流圈抑制共模电流干扰，加差模扼流圈抑制差模电流干扰。

共模滤波和差模滤波的不同点在于旁路电容的连接方式和电感线圈的制作方法上。在共模滤波中，旁路电容要连接在被滤波导线与共模电压参考地之间；差模滤波中，旁路电容连接在信号线和信号地线之间。差模扼流圈是将线圈绕在一个独立的磁芯上，如图４－１（ａ）所示，该线圈在绕制过程中要防止磁芯发生磁饱和。共模扼流圈是将信号线及其回线绕在同一个磁芯上，绕制的方法是使流过两个绕组的差模电流在磁芯中产生的磁场方向相反，如图４－1（ｂ）所示。共模扼流圈可以使直流和低频时的差模电流通过，但对于高频共模电流则呈现很大阻抗而被抑制。对于绝缘要求不高的信号线，可以采用双线共绕的方法构成共模扼流圈，如图４－1（ｃ）所示，对于交流电源线考虑到两根线之间必须承受较高的电压，两根线必须分开绕。

图４－１ 差模扼流圈和共模扼流圈的结构

共模扼流圈一般采用在导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料上绕制，因为铁氧体的导磁率很高，可以获得很大的电感量，而由于共模扼流圈的特殊绕制方法，没有磁芯饱和的危险。差模扼流圈一般在铁粉磁芯上绕制，通过减小磁芯中的磁通密度来避免饱和。

4.2 加低通滤波电路

在进行干扰抑制时，可在电子、电气产品的信号线或电源线输入端口增加简单的低通滤波电路。通常的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地线之间（滤除差模干扰电流），或信号线与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流），电感串联在要滤波的信号线上。常见的滤波电路见图４－２所示。

图４－２常见滤波电路

使用单电容和单电感电路，在某一频率上会有改善，但是可能在另一频率上会引入新的干扰。在实际测试中，应根据测试结果选择电容和电感，或使用LC滤波电路，常见的LC滤波电路如图４－３所示。

图４－３LC滤波电路

使用LC滤波电路，可根据公式计算电路的谐振频率，在测试过程中，调整电感、电容，使谐振频率与产品的干扰频率相近或接近干扰频率的中心频率。对频率很高的电磁干扰，可以使用三端电容或穿心电容进行滤波。

4.3 差模干扰和共模干扰的抑制
 

对于差模噪声，减少干扰的方法是在信号线和电源线上串联差模扼流圈、并联电容或用电容或电感组成低通滤波器，来减小高频的噪声，阻止干扰电流流入电路，如图４－４（ａ）所示；对于共模噪声，减小干扰的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈，在地与导线之间并联电容器，组成ＬＣ滤波器进行滤波，滤去共模噪声，如图４－４（ｂ）所

示。

图４－４差模噪声和共模噪声的抑制

5 结束语

在电子、电气产品中，干扰的来源比较复杂，而差模干扰和共模干扰一直是阻碍产品顺利通过电磁兼容检测的主要因素之一。要抑制产品产生的差模干扰和共模干扰，事后的对策无论从电路改进或外部结构上进行补救，都不是解决问题的万全之策，最好的方法还是在产品的设计过程中便考虑到各类干扰问题，采取相应的抗干扰技术来滤除和抑制电磁干扰，才能使产品达到抗电磁干扰的要求，提高其电磁

兼容性。

参考文献：

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［５］ 陈穷，蒋全兴，周开基，王素英．电磁兼容性工程设计手册［Ｍ］．北京：国防工业出版社，1993.10.

［６］ 祝长青．多层印制电路板抗快速瞬变脉冲群干扰的电磁兼容性设计［Ｊ］．电源世界2005.（４）.