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EMC专题学习(2)-- 共模与差模详解

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1. 产品中的共模和差模信号

如图所示,U1=第1根导线对地的电压,U2=第2根导线对地的电压
以下为图中共模差模电流、电压推导步骤:
a. 首先我们看差模电流的方向,由导线1流向导线2,大小相同,方向相反,记作In;然后我们看共模电流的方向,由导线1和导线2流向大地形成闭合环路,大小方向都相同,Ic
b. 因此流过导线1的电流是共模和差模电流之和,即 I1=Ic+In;流过导线2的电流是共模和差模电流之和,即 I2=Ic-In;
c. 假设2根导线都是理想的,阻抗都是Zo那么导线1电压,U1 =(Ic+In)* Zo =Uc + Un;导线2电压,U2 =(Ic- In)* Zo =Uc - Un;
d. 因为 U1U2 是已知信号,因此当两种模式同时存在时,可通过下列方法求出两种模式的成分:
差模电压 Un=(U1-U2)/2
共模电压 Uc=(U1+U2)/2
差模电流 In=(I1-I2)/2
共模电流 Ic=(I1+I2)/2

2. 共模与差模是如何转换的?


在实际的电路中,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。这两根导线的阻抗一旦不平衡,在终端就会出现共模和差模模式的相互转换,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。
以抗扰度测试为例:
    1. 当线束上的每根信号线上注入相同大小的共模电压时,由于在传输路径中各条信号线的共模阻抗不一样,结果会导致共模到差模的转变,这个转变后的差模干扰电压与信号电压叠加在一起产生干扰;

       
    2. 当电路中有用的差模信号,由于PCB寄生电感,寄生电容的存在,使得信号线传输电流与回流路径的电流不一致时,就实现差模与共模的转换,产品最后表现为严重的共模EMI问题。

3. EMS和EMI的共模与差模


EMS抗扰度问题:
    1. 差模电流总是按照预期的回路从电压的高端回到低端,其定位与处理相对比较容易,差模电流信号的导线对经常使用双绞线,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。

       
    2. 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困难。

       
EMI传导和辐射问题:
    1. 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环路天线,向空间辐射磁场:
         
       

       
    2. 共模EMI是由于电路中存在电压降产生共模电流。当电路中存在高电压的共模电压时,外接线束与其连接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,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:
         
       

       
  1. 以上2个式中,L--天线长度(m);E--电场强度(V/m);f--频率(Hz);S--面积(m^2);I--电流(A);R--距离(m);θ--测量天线与辐射平面的夹角(°)


从上面2个公式中可以看出,同等信号频率和电流强度的情况下,共模辐射要比差模辐射高出几个数量级,而且,在实际测试中其他条件固定的情况下,决定共模辐射的是共模电流。
☆ END ☆      

来源:EEDesign
电路信号完整性电场理论
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首次发布时间:2025-07-17
最近编辑:4月前
EE小新
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