一、共模信号和差模信号

 

通常电源线有三根线，火线L，零线N和地线PE。

 

电压和电流的变化通过导线传输时有两种形态, 一种是两根导线分别做为往返线路传输, 我们称之为"差模"；另一种是两根导线做去路,地线做返回传输, 我们称之为"共模"。

如上图, 蓝色信号是在两根导线内部作往返传输的，我们称之为"差模"；黄色信号是在信号与地线之间传输的，我们称之为"共模"。

 

二、共模干扰与差模干扰

 

任何两根电源线上所存在的干扰，均可用共模干扰和差模干扰来表示。

 

共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰，它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；

 

差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰,它定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。

 

在一般情况下，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。

 

2.1共模干扰信号

 

共模干扰的电流大小不一定相等，但是方向（相位）相同的。电气设备对外的干扰多以共模干扰为主，外来的干扰也多以共模干扰为主，共模干扰本身一般不会对设备产生危害，但是如果共模干扰转变为差模干扰，干扰就严重了，因为有用信号都是差模信号。

 

2.2差模干扰信号

 

差模干扰的电流大小相等，方向（相位）相反。由于走线的分布电容、电感、信号走线阻抗不连续，以及信号回流路径流过了意料之外的通路等，差模电流会转换成共模电流。

2.3共模干扰产生原因

 

1. 电网串入共模干扰电压。

 

2. 辐射干扰（如雷电，设备电弧，附近电台，大功率辐射源）在信号线上感应出共模干扰，原因是交变的磁场产生交变的电流，地线－零线回路面积与地线－火线回路面积不相同，两个回路阻抗不同等原因造成电流大小不同。

 

3.接地电压不一样，简单的说就电位差而造就了共模干扰。

 

4.设备内部的线路对电源线造成的共模干扰。

 

2.4共模干扰电流

 

共模干扰一般是以共模干扰电流存在的形式出现的，一般情况下共模干扰电流产生的原因有三个方面：

 

1. 外界电磁场在电路走线中的所有导线上感应出来电压（这个电压相对于大地是等幅和同相的），由这个电压产生的电流。

 

 2. 由于电路走线两端的器件所接的地电位不同，在这个地电位差的驱动下产生的电流。

 

 3. 器件上的电路走线与大地之间有电位差，这样电路走线上会产生共模干扰电流。

 

2.5注意事项

 

1.器件如果在其电路走线上产生共模干扰电流，则电路走线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；

 

2.当电路不平衡时，共模干扰电流会转变为差模干扰电流，差模干扰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：差模干扰电流流过电路中的导线环路时，将引起差模干扰辐射，这种环路相当于小环天线，能向空间辐射磁场，或接收磁场。

 

3. 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。但有一种例外，当电缆从很强的磁场辐射源(例如，开关电源)旁边通过时，也会感应到频率较低的共模干扰。

 

三、如何抑制共模干扰

 

共模干扰作为EMC干扰中最为常见且危害较大的干扰，我们抑制它最直接的方法就是滤波。

 

 

在电路中串入共模电感，当有共模干扰电流流经线圈时，由于共模干扰电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模干扰电流，达到滤波的目的；

 

当电路中的正常差模电流流经共模电感时，电流在同相绕制的共模电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，因而对正常的差模电流基本没有衰减作用。

 

案例  USB 信号上的共模干扰抑制方法

 

USB 端口的滤波处理－使用共模电感

 

USB 传输线上的信号是差分信号而干扰源是共模干扰信号，在传输线上串上共模电感能较好的抑制共模干扰，而对有用的差分信号没有任何衰减。

 

 

USB 高速运行会在DM/DP信号线上产生很强的共模干扰

 

电路中加入滤波器－共模电感后共模干扰信号得到有效抑制

 

如果共模干扰源是在电源回路，可使用共模电容来抑制干扰信号。

 

 

在电路中引入共模电容，则共模电容提供最短的路径使共模干扰信号被旁路，从而抑制共模干扰的产生。

 

如果电源回路同时还存在差模干扰，使用差模电容来抑制干扰。

 

 

在电路中引入差模电容，则差模电容提供最短的路径使差模干扰信号被旁路，从而抑制差模干扰的产生。

 

共模干扰作为EMC干扰中最为常见且危害很大的干扰,抑制它的方法除了滤波外，还可以通过对信号线路进行屏蔽，在PCB 板上大面积铺地降低地线阻抗来减少共模信号强度等方法。

 

四个腿的电感是什么？有什么作用？ 

我们常见的电感是两个腿的，叫做差模电感。今天和大家介绍四个腿的共模电感。

 

差模电流与共模电流

 

差模电流：在一对差分信号线上，大小相同，方向相反的一对信号，一般是电路中的工作电流，对于信号线就是信号线与信号地线之间流动的电流。

共模电流：在一对差分信号线上，大小相同，方向相同的一对信号(或噪音)。在电路中，一般对地噪音一般都是以共模电流的方式传输的，所以又称为共模噪声。

 

差模电流与共模电流

 

抑制共模噪声的方法多种多样，除了从源头去减少共模噪声外，通常我们抑制最常用的方法就是使用共模电感来滤除共模噪声，也就是将共模噪声阻挡在目标电路外面。即在线路中串联共模扼流器件。这样做的目的是增大共模回路的阻抗，使得共模电流被扼流器所消耗和阻挡(反射)，从而抑制线路中的共模噪声。

 

共模扼流器或电感的原理

 

若在以某种磁性材料的磁环上绕上同向的一对线圈，当交变电流通过时，因为电磁感应而在线圈中产生磁通量。对于差模信号，产生的磁通量大小相同、方向相反，两者相互抵消，因而磁环产生的差模阻抗非常小；而对于共模信号，产生的磁通量大小和方向均相同，两者相互叠加从而使磁环产生了较大的共模阻抗。这一特性使得共模电感对于差模信号的影响较小，而对共模噪声具有很好的滤波性能。

 

1) 差模电流通过共模线圈，磁力线方向相反，感应磁场削弱，从如下图磁力线方向可以看出—实线箭头表示电流方向，虚线表示磁场方向

2) 共模电流通过共模线圈，磁力线方向相同，感应磁场加强，从如下图磁力线方向可以看出—实线箭头表示电流方向，虚线表示磁场方向。

 

 

 

共模线圈的电感或者称为自感系数，我们知道电感是表征产生磁场的能力。对于共模线圈或者共模电感，当共模电流流过线圈时，由于磁力线方向相同，在不考虑漏感的情况下，磁通量叠加，其原理是互感。下图红色线圈产生的磁力线穿过蓝色线圈，同时蓝色线圈产生的磁力线也穿过红色线圈，彼此相互感应。

从电感的角度来看，电感量也是成倍增加，磁链代表了总磁通量。对于共模电感，当磁通量是原来的2倍时，匝数没有发生变化，电流也没没有发生变化，此时电感量增加为原来的2倍，意味着等效磁导率变为原来的2倍。

 

 

等效磁导率何以增加一倍，从下面的电感公式来看，由于匝数N不改变、磁路和磁芯截面积由磁芯的物理尺寸决定，因此也没有改变，唯一就是磁导率u增加了一倍，因而可以产生更多的磁通量。

 

 

所以，共模电感在共模电流通过时，工作在互感模式下。在互感的作用下，等效电感量被成倍增加，共模感抗也会成倍增加，因而对共模信号有良好的滤波作用，也就是将共模信号用大阻抗阻挡，不让其通过共模电感，即不让此信号传输到电路的下一级，如下是电感产生的感抗ZL。

认识共模电感在共模模式下的电感量，主要线索是认识互感，一切的磁性元器件。无论什么名称只要把握磁场的变化形式，透过现象看磁场变化的本质，也会容易理解。