共模和差模的基本概念

        电压电流在导体或导线中传播时,存在两种工作形态:共模和差模。电子设备的信号线在进行相互通信时,至少会存在两根导线以形成电传输回路,除此之外,通常还存在第三个导体,即“参考地”。当信号正常传输时,两根导线作为往返线路使用,此时,两根导线上出现幅度相同但方向相反的电流,称之为差模电流;当两根导线中同时存在干扰时,“参考地”会成为干扰信号的返回路径,此时,在干扰信号的驱动下,两根导线上出现幅度和方向相同的电流,称之为共模电流。前者称为差模形态,后者称为共模形态。

        实际上,在任何电路中都同时存在共模电流和差模单流,两种类型的电流决定了电磁能量的产生和传播,设计者需要搞清楚的是,差模电流载有数据信息,是设计中必需的,而共模电流只是差模工作形态的副产物,是设计中不需要的,但却成为了EMC达标的“拦路虎”。

        如下图所示,差模信号和回流电流是相互反方向的,如果精确地具备180度的相位差,差模电流可以彼此抵消,所以,就不存在EMC问题,但是,一旦产生了不平衡现象(多数为阻抗不连续所造成),差模电流就不能相互完全抵消,在设备终端,这部分剩余能量就会转换为共模电流,并通过“参考地”形成更大的回流路径。

        对于电子产品来说,其“参考地”往往是PCB的参考面、金属外壳、线缆等,它是一种“非期望”的电流路径,并且,如下图所示,与差模回流路径(绿色曲线)相比,信号干扰源所形成的共模回流路径(红色曲线)面积更大,因此,共模电流形成的辐射往往比差模辐射更强。

        在EMC的定义中,差模工作电流所产生的辐射是电路正常工作的结果,是电流流过导线形成的环路所产生的,而这些环路作为小环形天线主要产生了辐射磁场,虽然PCB中的走线回路通常不会产生严重的辐射发射,但是,如果设计不当,依然可能被其它具备天线效应的结构所利用,从而成为有效的辐射源,因此设计过程中,对其尺寸和面积必须进行控制。

        然而,共模辐射是电路的寄生现象,是由导线中不期望的电压降所产生的。当电缆连接到PCB上时,这个压降会被共模地电位驱动,形成以电场为主的偶极子或单极天线辐射效应,与差模辐射相比,共模辐射往往更难于理解和控制。

        通过合理的PCB布局,往往可以有效控制差模辐射,但是,因为共模辐射往往与互连的电缆相关,因此一些额外的处理方式如下:

        1. 最小化共模驱动电压,通常是减小接地电位以降低参考电压降;

        2. 利用共模阻抗扼流圈与电缆串联;

        3. 旁路电缆的电流;

        4. 有效屏蔽电缆;

        5. 将电缆与PCB的接地层进行隔离。

        设计的宗旨是,上述所用的共模抑制技术必须在影响共模电流的同时,不能影响差模电流的正常工作形态。

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