2.2 产品电路中的共模和差模信号

电压、电流的变化通过导体传输时有两种形态，即共模和差模。设备的电源线、信号线等的通信线、与其他设备或外围设备相互交换的通信线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送信号。但在这两根导线之外通常还有“第三导体”，这就是“地线”，如EMC测试时的参考地。干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；另一种是两根导线作为去路，参考地作为返回线路传输。前者叫差模，后者叫共模。差模干扰如图2-48所示，电源、信号源及负载通过两根导线连接。流过一边导线的电流与另一边导线的电流幅度相同，方向相反，这个电流叫差模电流，两段导线之间的电压UDM叫差模电压。

实际上，干扰并不一定直接注入在两根导线之间，它也可能注入在两根导线与参考地之间，最终导致流过两根导线上的干扰电流幅度不同。如图2-49所示，在加在两线之间的干扰电压的驱动下，两根导线上有幅度相同但方向相反的电流（差模电流）。但如果同时在两根导线与地线之间加上干扰电压，两根导线就会流过幅度和方向都相同的电流，这些电流（共模）合在一起经地线流向相反方向。一根导线上的差模干扰电流与共模干扰同向，因此相加；另一根导线上的差模噪声与共模噪声反向，因此相减。所以，流经两根导线的电流具有不同的幅度。

再来考虑一下对地线的电压。如图2-49所示，对于差模电压，一根导线上是（线间电压）/2，另一根导线上是-（线间电压）/2，因而是平衡的，但对于共模电压，两根导线上电压相同，所以当两种模式同时存在时，两根导线对地线的电压也不同。

因此，当两根导线对地线电压或电流不同时，可通过下列方法求出两种模式的成分：

式中 U1、U2—两根信号线上的电压；

I1、I2—两根信号线上的电流；

UDM—差模电压；

IDM—差模电流；

UCM—共模电压；

ICM—共模电流。

在实际电路中，共模干扰与差模干扰是不断相互转换的，两根导线终端与地线之间存在着阻抗（这个阻抗应该考虑分布参数的影响）。这两根导线的阻抗一旦不平衡，在终端就会出现模式的相互转换，即通过导线传递的一种模式在终端反射时，其中一部分会变换成另一种模式。另外，通常两根导线之间的间隔较小，导线与地线导体之间距离较大。所以若考虑从导线辐射的干扰，与差模电流产生的辐射相比，共模电流辐射的强度更大。

根据笔者的经验，在当今电子产品中，所碰到的大部分EMC问题，特别是疑难问题，80%以上是共模问题。大部分的EMC抗扰度测试（如电快速瞬变脉冲群、ESD、传导抗扰度测试等），总是以共模的形式注入被测设备的接口。即使有差模干扰（如线与线之间的浪涌测试）存在，由于差模电流总是按照预期的回路从电压的高端回到低端，其定位与处理也是相对比较容易的，而且承载差模电流信号的导线对常常是紧靠在一起的，或经常使用双绞线，这样使在周围空间产生的辐射场往往大小相等，方向相反，从而相互抵消。而共模干扰不但在导线对两根导线上的共模电流产生的辐射场相互叠加，而且由于其传输路径的不确定性使定位与处理也变得相对较难。对于EMI问题，差模EMI是差模电流流过电路中的实际存在的导线环路，当引起辐射时，这种差模环路相当于小环形天线，能向空间发射辐射磁场；共模EMI是由于电路中存在电压降产生共模电流。某些部位具有高电压的共模电压，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下产生共模电流，成为辐射电场的天线，这种现象多是由于接地系统中存在电压降造成的。共模电压同样残留在设备电路内部，或设备内部电路和附近导体之间，共模干扰或噪声会产生比差模干扰或噪声更严重的影响。如就产生的辐射来讲，可以从以下两个关于差模辐射和共模辐射的计算公式中看出。

当差模辐射用小环形天线产生的辐射来模拟时，可设环电流为I，环面积为S，在距离为R的远场，测得辐射的电场强度为

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。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

式中 L—天线长度（m）；

E—电场强度（V/m）；

f—频率（Hz）；

S—面积（m2）；

I—电流（A）；

R—距离（m）；

θ—测量天线与辐射平面的夹角（°）。

从式（2.3）和式（2.4）可以看出，在同样的信号频率和电流强度下，共模辐射要比差模辐射高出几个数量级，而且在实际测试中，如果其他条件固定，决定共模辐射的则是共模电流。

例如，在计算机常用的扁平馈线中抽取相邻的两根导线，线长1m，导线对上分别加以共模和差模电流，在离导线对3m处按GB9254规定测量骚扰场强。实验表明，如果该处场强要达到B类设备的限值（30～230MHz时为40dBVV/m），则差模电流要求为20mA，而共模电流只要8VA，两者相差2500倍。由此可见，共模电流比差模电流更为重要。