2.2 產品電路中的共模和差模信號

電壓、電流的變化通過導體傳輸時有兩種形態，即共模和差模。設備的電源線、信號線等的通信線、與其他設備或外圍設備相互交換的通信線路，至少有兩根導線，這兩根導線作為往返線路輸送信號。但在這兩根導線之外通常還有“第三導體”，這就是“地線”，如EMC測試時的參考地。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導線分別作為往返線路傳輸；另一種是兩根導線作為去路，參考地作為返回線路傳輸。前者叫差模，后者叫共模。差模干擾如圖2-48所示，電源、信號源及負載通過兩根導線連接。流過一邊導線的電流與另一邊導線的電流幅度相同，方向相反，這個電流叫差模電流，兩段導線之間的電壓UDM叫差模電壓。

實際上，干擾并不一定直接注入在兩根導線之間，它也可能注入在兩根導線與參考地之間，最終導致流過兩根導線上的干擾電流幅度不同。如圖2-49所示，在加在兩線之間的干擾電壓的驅動下，兩根導線上有幅度相同但方向相反的電流（差模電流）。但如果同時在兩根導線與地線之間加上干擾電壓，兩根導線就會流過幅度和方向都相同的電流，這些電流（共模）合在一起經地線流向相反方向。一根導線上的差模干擾電流與共模干擾同向，因此相加；另一根導線上的差模噪聲與共模噪聲反向，因此相減。所以，流經兩根導線的電流具有不同的幅度。

再來考慮一下對地線的電壓。如圖2-49所示，對于差模電壓，一根導線上是（線間電壓）/2，另一根導線上是-（線間電壓）/2，因而是平衡的，但對于共模電壓，兩根導線上電壓相同，所以當兩種模式同時存在時，兩根導線對地線的電壓也不同。

因此，當兩根導線對地線電壓或電流不同時，可通過下列方法求出兩種模式的成分：

式中 U1、U2—兩根信號線上的電壓；

I1、I2—兩根信號線上的電流；

UDM—差模電壓；

IDM—差模電流；

UCM—共模電壓；

ICM—共模電流。

在實際電路中，共模干擾與差模干擾是不斷相互轉換的，兩根導線終端與地線之間存在著阻抗（這個阻抗應該考慮分布參數的影響）。這兩根導線的阻抗一旦不平衡，在終端就會出現模式的相互轉換，即通過導線傳遞的一種模式在終端反射時，其中一部分會變換成另一種模式。另外，通常兩根導線之間的間隔較小，導線與地線導體之間距離較大。所以若考慮從導線輻射的干擾，與差模電流產生的輻射相比，共模電流輻射的強度更大。

根據筆者的經驗，在當今電子產品中，所碰到的大部分EMC問題，特別是疑難問題，80%以上是共模問題。大部分的EMC抗擾度測試（如電快速瞬變脈沖群、ESD、傳導抗擾度測試等），總是以共模的形式注入被測設備的接口。即使有差模干擾（如線與線之間的浪涌測試）存在，由于差模電流總是按照預期的回路從電壓的高端回到低端，其定位與處理也是相對比較容易的，而且承載差模電流信號的導線對常常是緊靠在一起的，或經常使用雙絞線，這樣使在周圍空間產生的輻射場往往大小相等，方向相反，從而相互抵消。而共模干擾不但在導線對兩根導線上的共模電流產生的輻射場相互疊加，而且由于其傳輸路徑的不確定性使定位與處理也變得相對較難。對于EMI問題，差模EMI是差模電流流過電路中的實際存在的導線環路，當引起輻射時，這種差模環路相當于小環形天線，能向空間發射輻射磁場；共模EMI是由于電路中存在電壓降產生共模電流。某些部位具有高電壓的共模電壓，當外接電纜與這些部位連接時，就會在共模電壓激勵下產生共模電流，成為輻射電場的天線，這種現象多是由于接地系統中存在電壓降造成的。共模電壓同樣殘留在設備電路內部，或設備內部電路和附近導體之間，共模干擾或噪聲會產生比差模干擾或噪聲更嚴重的影響。如就產生的輻射來講，可以從以下兩個關于差模輻射和共模輻射的計算公式中看出。

當差模輻射用小環形天線產生的輻射來模擬時，可設環電流為I，環面積為S，在距離為R的遠場，測得輻射的電場強度為

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。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

式中 L—天線長度（m）；

E—電場強度（V/m）；

f—頻率（Hz）；

S—面積（m2）；

I—電流（A）；

R—距離（m）；

θ—測量天線與輻射平面的夾角（°）。

從式（2.3）和式（2.4）可以看出，在同樣的信號頻率和電流強度下，共模輻射要比差模輻射高出幾個數量級，而且在實際測試中，如果其他條件固定，決定共模輻射的則是共模電流。

例如，在計算機常用的扁平饋線中抽取相鄰的兩根導線，線長1m，導線對上分別加以共模和差模電流，在離導線對3m處按GB9254規定測量騷擾場強。實驗表明，如果該處場強要達到B類設備的限值（30～230MHz時為40dBVV/m），則差模電流要求為20mA，而共模電流只要8VA，兩者相差2500倍。由此可見，共模電流比差模電流更為重要。