深入解析 EMC 基础:差模噪声与共模噪声

时间:2026-08-11
  在之前的文章中,我们已经介绍了 EMC 的基本概念,包括 EMC 和频谱的基本概念。在这一节里,我们将深入复习共模噪声和差模噪声相关的概念。
  上一篇文章提到,电磁干扰(EMI)大致可分为 “传导干扰” 和 “辐射干扰” 两种。其中,传导干扰根据传导方式又可分为 “差模干扰(或者称为差模噪声)” 和 “共模噪声” 两种。下面我们就对这两种噪声进行详细介绍。
  “差模噪声” 也被称为 “常模噪声”,在某些情况下,这两种称呼可根据具体条件区分使用,但在本文中,这两种称呼是等价的。另一种是 “共模噪声”。由于我们以开关电源为背景来介绍这两种噪声,因此图例是将 PCB 装在壳体中,并由外部供电,如图所示。

  差模噪声产生在电源线之间,噪声源串联进入电源线,噪声电流与电源电流方向相同。由于往返方向相反而被称为 “差模(Differential mode)”。具体来说,差模噪声是在电路的两根信号线之间流动的噪声,它会影响信号的正常传输。例如,在一个音频电路中,差模噪声可能会导致音频信号出现失真。
  共模噪声是经杂散电容等泄漏的噪声电流经由大地返回电源线的噪声。因电源的(+)端和(-)端流过的噪声电流方向相同而被称为 “共模(Common mode)”。在电源线间不产生噪声电压。共模噪声通常是由于设备与地之间的电位差、电磁耦合等原因引起的。比如,在一些电子设备中,由于设备外壳与地之间存在杂散电容,就可能会产生共模噪声。

  由差模噪声引起的辐射的电场强度 Ed 可通过相应公式来表示。Id 为差模中的噪声电流,r 为到观测点的距离,f 为噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环,因此环路面积 S 是非常重要的因素。如图和公式所示,假设其他因素固定,环路面积越大则电场强度越高。这意味着,在设计电路时,如果能够减小差模噪声的环路面积,就可以有效降低差模噪声产生的辐射。

  由共模噪声引起的辐射的电场强度 Ec 也可通过相应公式来表示。如图和公式所示,线缆长度 L 是非常重要的因素。这表明,要降低共模噪声产生的辐射,需要尽量缩短线缆长度。

 

  需要注意的是,在平时的 EMC 问题中,共模噪声出现的概率更大一点。因为共模噪声是经参考网络进行干扰的传递,所以如果我们不是认真仔细设计,或者不能 100% 避免干扰的存在,在不经意间就会引入共模噪声。为了更好地认识每种噪声引发的辐射特点,我们代入实际数值来计算一下这两种噪声的电场强度(条件完全相同,电场强度的观测点用蓝色圆点来表示)。
  从计算结果我们可以看到:在噪声电流值相同的情况下,共模噪声辐射要大得多(此例中约大 100 倍)。不管怎样,这些传导噪声和辐射噪声即 EMI 如果超出了容许范围,就需要采取降噪对策。特别需要记住的是,在考虑辐射噪声对策时,针对共模噪声的对策是非常重要的。
  关于 EMC 问题的整改,我们后面会逐步介绍。其中原则性的降噪对策是:差模噪声要减少环路面积 S(比如线缆采用绞合线),共模噪声要极力缩短线缆长度。当这一原则受到挑战或者无法达成时,就需要探讨增加滤波器的方法。通过采用合适的滤波器,可以有效抑制差模噪声和共模噪声,从而提高电路的电磁兼容性。
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