共模干扰 差模干扰

·2 0 0 6第05期· 72 认证与电磁兼容卷 Certif icat ion & EMC ELECTRONICS QUALITY 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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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 共模干扰和差模干扰及其抑制技术 Common Mode Interference & Differential Mode Interference and their Restraining Technologies 赵金奎 (陕西航空电气有限责任公 司第47设计研究所,中国 航空工业总公司西北电磁 兼容性监督检测中心, 兴 平 713107) Zhao Jin-kui (The 47th Design Research Institute of Shanxi Aero Electric Co.,Ltd. Northwest EMC Supervising and Detecting Center of China Aviation Industry Corporation ,Xingping 713107, China) 摘 要:文章介绍了共模干扰和差模干扰的概念及特点，对共模干扰和差模干扰的抑制技术 进行了分析与研究,并对产品在抗干扰方面的设计提出了若干建议。 关键词:共模(CM)干扰;差模（DM）干扰;电磁干扰（EMI）;抑制技术 中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1003-0107(2006)05-0072-04 Abstract:This paper introduces the concepts and characteristics of the common mode interference and the differential mode interference, and analyzes and researches the restraining technologies of the common mode interference and the differential mode interference. The author also offers some suggestions on the anti- interference designing of the products. Keywords:The common mode interference;The differential mode interference;Electromagnetic interference;The restraining technology CLC number:TN710 Document code:A Article ID:1003-0107(2006)05-0072-04 图2-1 差模干扰信号和共模干扰 信号 图2-2 差模电流和共模电流 E M C E M C ELECTRONICS QUALITY 73 ·2 0 0 6第05期· 认证与电磁兼容卷 Certif icat ion & EMC 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: E =131.6×10-16（f 2SI）（1/ r）sinθ （1） 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） 图3-1 PCB上的差模电流和共模 电流 图3-2 PCB上差模电流和共模电 流的等效图 E M C E M C ·2 0 0 6第05期· 74 认证与电磁兼容卷 Certif icat ion & EMC ELECTRONICS QUALITY L e a r n i n g f r o m Q u a l i t y D o c t o r r——到PCB环路的距离（m） θ——测量天线与辐射平面 的夹角（o） 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tr（tr为数 子脉冲的上升/下降时间，数字脉 冲频谱宽度BW=，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。 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: E=4π×10-7(fIl)(1/r)sinθ -------------------------（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。 L=n（λ/20）（n =1，2，3，⋯） -------------------------（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 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 图3-3 印制板的差模辐射 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。 图3-4外接电缆的共模辐射 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 E M C E M C ELECTRONICS QUALITY 75 ·2 0 0 6第05期· 认证与电磁兼容卷 Certif icat ion & EMC 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4-2(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- 3(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。 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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 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。 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。 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 图4-1 差模扼流圈和共模扼流圈的结构 图4-2常见滤波电路 图4-3 LC滤波电路 图4-4差模噪声和共模噪声的抑制 L e a r n i n g f r o m Q u a l i t y E M C E M C ·2 0 0 6第05期· 76 认证与电磁兼容卷 Certif icat ion & EMC ELECTRONICS QUALITY 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。 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: [1] 杨继深. 差模干扰和共模干扰 [J].安全与电磁兼容，2002（2）. [2] 王庆斌，刘萍，尤利文，林啸天. 电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京：机 械工业出版社，2003.2. [3] 刘宝殿，卢民牛，王 南. 无绳 电话射频场感应传导骚扰抗扰度测试 [J].安全与电磁兼容，2003（4）. [4] 白同云，吕晓德. 电磁兼容设计 [M].北京:北京邮电大学出版社，2001. 3. [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）. 0引言 随着现代电子科技的发展,大 规模集成电路迅速普及，芯片逐渐 向高速化和集成化方向发展,其体 积越来越小，频率越来越高，电磁 辐射随其频率的升高成平方倍增 长，使得各种电子设备系统内外的 电磁环境愈加复杂,对PCB设计中 的电磁兼容技术要求更高。PCB电 磁兼容设计是否合理直接影响设备 的技术指标，影响整个设备的抗干 扰性能，直接关系到整个系统的可 靠性和稳定性。 现在国际上包括我国在内都 对电子产品实行强制性认证，电子 产品能否达到 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 要求成为其能否 成功推向市场的关键。实践证明， 在系统设计初期实施电磁兼容性可 以使效费比最大化。在设计开始我 们对PCB做了电磁兼容性设计之 后，其辐射发射其是否达到标准要 求，是否会对其他PCB进行场－线 耦合或场－场耦合，这是我们最为 关心的问题。众所周知，边设计边 拿到标准实验室测试浪费精力不 说，测试费用也非常可观。我们能 否利用简单设备进行测试，边设计 边改进，最后在标准实验室争取一 次性通过呢？本文从实用角度出发 提出了PCB电磁辐射预实验技术， 以期实现在简单条件下发现PCB电 磁辐射发射的问题，达到帮助设计 人员及时改变电路设计的目的。 1.电磁辐射原理 辐射传播是导体干扰源将能 量以电磁波的形式向周围空间射 出。电磁辐射源产生的交变电磁场 可分为性质不同的两个部分，其中 The Research of Prediction Test to Electromagnetic Radiation of PCB 电磁辐射预实验技术研究PCB 颉 晨，程丽丽 （西安电子科技大学， 西安 710071） Xie Cheng,Cheng Li-Li (Xi’an Electronic University, Xi’an 710071, Ch ina) 摘 要:本文首先分析了电磁场辐射原理，然后介绍了在一般条件下对电子线路板进行电磁 辐射预实验的方法，最后将测试结果与标准实验室进行比较，从而证明对电子线路板进行预 实验的有效性，为设计人员在设计初期及时解决问题提供了很好的参考。 关键词:电磁兼容；电磁辐射；电磁兼容预实验 中图分类号:TN707 文献标识码：A 文章编号：1003-0107(2006)05-0076-03 Abstract: This paper analyse radiates principle of the electromagnetic field in the first, and related to the method of predict test to PCB’s electromagnetic radiation in the common condition. Then compared the result of the test with that of in the standard laboratory ,we can prove the validity of the method of prediction test to PCB’s electromagnetic radiation. It provides good consulting for electronic designers to solve problems on time in the initial designing stage. Key words: Electromagnetic compatibility;Electromagnetic radiation;Prediction test of EMC CLC number:TN707 Document code:A Article ID:1003-0107(2006)05-0076-03 E M C E M C 来自：RFID信息网 http://www.iRFID.cn/ 声明：本文源于网上，版权归原版权人所有，未经版权人授权，任何人不得传播和复制，或 以其它方式利用。RFID 信息网无意侵犯任何版权人利益，对本文不拥有任何权益，任何团体 或个人使用本文带来的后果，网站不承担任何连带责任。任何利益相关人对本文有异议请及 时与网站联系，网站将迅速处理。 关于 RFID 信息网： RFID 信息网是由一群 RFID 爱好者建设并运行的公益性网站，过程中得到中国物流与采 购联合会的大力支持。网站以全面、及时、深刻地报道 RFID 及相关技术新闻、评论、案例 及应用，精心收集并免费提供有价值 RFID 资料，免费为国内外 RFID 企业及研究机构进行推 介为己任。 我们的团队——您的问题，他们一定可以帮您解决！ （1） RFID 技术方面：任职于山东莱芜某公司 资深硬件工程师 chenjianeng （2） RFID 应用方面：任职于北京某上市公司 RFID 总工程师 biefenglei 博士 （3） RFID 市场方面：任职于上海某系统集成公司 资深销售经理 monik （4） RFID 研究方面：就读于北京某高校研究所研究生 LOG ……欢迎您加入我们的团队，有您的参与，未来更美妙辉煌 我们的特点——不一样的 RFID 信息网，打造 RFID 的理想家园 （1）资讯全面。我们不仅全面收集网络上可以查询到的 RFID 资讯，而且还购买付费资讯免 费提供给访问者。同时我们还提供国外网站最新英文资讯。 （2）报道深刻。很多技术都与 RFID 密切相关，如条码、Wimax、 UWB、 Rubee 等等，诸 如信息化建设、标准化问题都与 RFID 紧密相连，而我们对此都有关联分析报道，让读者能 跳出 RFID，看得更高更远更全面。 （3）快乐体验。我们开辟专栏每天跟踪报道国内外的娱乐、体育、时政、社会等方面大事， 让您精准把握时代脉搏；任何企业或个人都可以免费下载资料、发布产品广告。 欢迎企事业单位和科研机构投稿，让您的智慧和产品在 RFID 信息网闪光！ 欢迎朋友们加入我们的团队，让我们共创 RFID 的理想家园！ 投稿 EMAIL 及联系 MSN：admin@iRFID.cn