電磁騷擾和電磁干擾，共模干擾與差模干擾你都能區(qū)分嗎

01 ? 【基本概念】

電磁騷擾傳播或耦合，通常分為兩大類：即傳導(dǎo)騷擾傳播和輻射騷擾傳播。通過導(dǎo)體傳播的電磁騷擾，叫傳導(dǎo)騷擾；通過空間傳播的電磁騷擾，叫輻射騷擾。

上圖傳染病的模型非常近似：

02 ? 【電磁騷擾的常用單位】

騷擾的單位通用分貝來表示，分貝的原始定義為兩個功率的比：

通常用 dBm 表示功率的單位，dBm 即是功率相對于 1mW 的值：

通過以下的推導(dǎo)可知電壓由分貝表示為（注意有一個前提條件為 R1=R2)：

通常用 dBuV 表示電壓的大小，dBuV 即是電壓相對于 1uV 的值。

對于輻射騷擾通常用電磁場的大小來度量，其單位是 V/m。通常用的單位是?dBuV/m。 03 ? 【傳導(dǎo)干擾】

共阻抗耦合

由兩個回路經(jīng)公共阻抗耦合而產(chǎn)生，干擾量是電流i，或變化的電流di/dt。 容性耦合 在干擾源與干擾對稱之間存在著分布電容而產(chǎn)生，干擾量是變化的電場，即變化的電壓du/dt。 感性耦合 在干擾源與干擾對稱之間存在著互感而產(chǎn)生，干擾量是變化的磁場，即變化的電流di/dt。 a、共阻抗耦合 由兩個回路經(jīng)公共阻抗耦合而產(chǎn)生，干擾量是電流 i，或變化的電流 di/dt。

、 當(dāng)兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就發(fā)生了公共阻抗耦合。我們在放大器中，級與級之間的一種耦合方式是“阻容”耦合方式，這就是一種利用公共阻抗進(jìn)行信號耦合的應(yīng)用。在這里，上一級的輸出與下一級的輸入共用一個阻抗。 由于地線就是信號的回流線，因此當(dāng)兩個電路共用一段地線時，彼此也會相互影響。一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調(diào)制，另一個電路的信號就耦合進(jìn)了前一個電路。 對于兩個共用電源的電路也存在這個問題。解決的辦法是對每個電路分別供電，或加解耦電路。

阻性耦合干擾抑制方法 1）讓兩個電流回路或系統(tǒng)彼此無關(guān)。信號相互獨立，避免電路的連接，以避免形成電路性耦合。 2）限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，當(dāng)耦合阻抗趨于零時，稱為電路去耦。為使耦合阻抗小，必須使導(dǎo)線電阻和導(dǎo)線電感都盡可能小。 3）電路去耦：即各個不同的電流回路之間僅在唯一的一點作電的連接，在這一點就不可能流過電路性干擾電流，于是達(dá)到電流回路間電路去耦的目的。 4）隔離：電平相差懸殊的相關(guān)系統(tǒng)（比如信號傳輸設(shè)備和大功率電氣設(shè)備之間），常采用隔離技術(shù)。

b、容性耦合 在干擾源與干擾對稱之間存在著分布電容而產(chǎn)生，干擾量是變化的電場，即變化的電壓 du/dt。 ?

容性耦合干擾抑制方法 為了抑制電容性干擾可以采取以下措施： 1）干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電壓變化幅度和變化率盡可能地??； 2）被干擾系統(tǒng)應(yīng)盡可能設(shè)計成低阻； 3）兩個系統(tǒng)的耦合部分的布置應(yīng)使耦合電容盡量小。例如電線、電纜系統(tǒng)，則應(yīng)使其間距盡量大，導(dǎo)線短，避免平行走線； 4）可對干擾源的干擾對象進(jìn)行電氣屏蔽，屏蔽的目的在于切斷干擾源的導(dǎo)體表面和干擾對象的導(dǎo)體表面之間的電力線通路，使耦合電容變得最??； ?

容性耦合干擾抑制實例

BUCK電路中還存在高頻開關(guān)節(jié)點(Phase、或者叫做SW note),這里的dv/dt會產(chǎn)生電場，也會產(chǎn)生輻射，同時引起的共模電流也會在傳導(dǎo)測試中占據(jù)重要分量，尤其是在CISPR25的測試中。高頻開關(guān)節(jié)點常常和輻射相關(guān)，尤其是在單桿天線測試和雙錐天線測試中，在單桿天線測試中，高頻開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生的近場電場直接可以通過單桿天線接收。 抑制高頻開關(guān)節(jié)點的dv/dt，首先可以通過減小面積來減小近場電場的電場強度。如下圖，通過減小SW的鋪銅面積，電場強度有了明顯的減小。同樣的方法，可以在單桿測試中，可以通過減小SW鋪銅或者電感的體積來實現(xiàn)。前面我們分析過電感并不能保持穩(wěn)定的電位，也是高頻開關(guān)節(jié)點。

c、感性耦合 在干擾源與干擾對稱之間存在著互感而產(chǎn)生，干擾量是變化的磁場，即變化的電流 di/dt。 當(dāng)信號沿傳輸線傳播時，信號路徑與返回路徑之間將產(chǎn)生電場，圍繞在信號路徑和返回路徑周圍也有磁場。如圖所示，基板材料為FR4的50Ω微帶線橫截面上的電力線和磁力線，可見，這些場并不僅僅局限于微帶線的正下方，而是會延伸到周圍的空間。這些延伸出去的場稱為邊緣場。

邊緣場 根據(jù)電磁場基本理論，變化的電場產(chǎn)生感應(yīng)電流，變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電壓。那么，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)（靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)）的布線進(jìn)入另一網(wǎng)絡(luò)（動態(tài)網(wǎng)絡(luò)）的邊緣場時，一旦動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的信號電壓和電流發(fā)生變化，將會引起邊緣場的變化，邊緣場的變化又將在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上感應(yīng)出噪聲電壓或電流，這就是串?dāng)_產(chǎn)生的物理根源。 這種兩個網(wǎng)絡(luò)之間通過場相互作用被稱做耦合，耦合又可以分為容性耦合和感性耦合，而把耦合電容和耦合電感分別稱做互容和互感. 互容和互感都對串?dāng)_有貢獻(xiàn)，但要區(qū)別對待。當(dāng)返回路徑是很寬的均勻平面時，如PCB上的布線，容性耦合和感性耦合大體相當(dāng)。因此，要精確預(yù)測耦合傳輸線的串?dāng)_，兩種因素都必須考慮。如果返回路徑不是很寬的均勻平面，比如引線，雖然容性耦合和感性耦合也都存在，但串?dāng)_主要來自于互感。這時，如果動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上有一個快速變化的電流，如上升、下降沿，將會在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上引起不可忽視的噪聲。 ?

感性耦合干擾抑制方法 1）?干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電流變化的幅度和速率盡量??； 被干擾系統(tǒng)應(yīng)該具有高阻抗； 2）減少兩個系統(tǒng)的互感，為此讓導(dǎo)線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結(jié)構(gòu)時應(yīng)縮小電流回路所圍成的面積； 3）對于干擾源或干擾對象設(shè)置磁屏蔽，以抑制干擾磁場。 4）采用平衡措施，使干擾磁場以及耦合的干擾信號大部分相互抵消。如使被干擾的導(dǎo)線環(huán)在干擾場中的放置方式處于切割磁力線最?。ōh(huán)方向與磁力線平行），則耦合的干擾信號最小；另外如將干擾源導(dǎo)線平衡絞合，可將干擾電流產(chǎn)生的磁場相互抵消。

感性耦合干擾抑制實例 那么我們要分析如何抑制高頻電流環(huán)路的引起的噪聲源？高頻電流環(huán)路可以看成是磁偶極子，磁矩，磁場強度隨著電流和環(huán)路面積而增大，那么可以通過降低電流和減小面積來實現(xiàn)， 首先，我們需要找出不同拓?fù)涞母哳l電流環(huán)路。如下圖，紅色的環(huán)路便是di/dt變化比較大的電流高頻環(huán)路，可以看到BUCK電路，電流高頻環(huán)路存在于輸入電容和兩個開關(guān)管形成的閉合環(huán)路，而BOOST電路作為對偶拓?fù)?，電流高頻環(huán)路存在于輸出電容和兩個開關(guān)管。而SEPIC電路的電流高頻環(huán)路存在于開關(guān)管和兩個電容形成的環(huán)路中。 可以看到高頻電流環(huán)路存在于開關(guān)管和連接開關(guān)管的電容形成的回路，因為電流變化最劇烈的通常在開關(guān)管之間，電流實在兩個開關(guān)管之間切換，而通常電感由于電流不能突然變化，di/dt受到限制，而不是我們重點考察高頻電路環(huán)路的部分。

找到高頻電流環(huán)路后，我們需要抑制該噪聲源引起的近場磁場。最有效的方式就是減少該環(huán)路的面積，通常電流大小需要滿足功率輸出的要求，不能隨意減小。 最簡單的方式就是選用集成MOSFET的同步BUCK，來替換非同步的BUCK。如圖，選用同步的SOT23-8的BUCK芯片，輸入電容可以靠近芯片放置，高頻電流環(huán)路遠(yuǎn)小于左邊的非同步BUCK，對外的輻射要小很多。

04 ? 【共模干擾與差模干擾】

共模干擾（Common-mode）：兩導(dǎo)線上的干擾電流振幅相等，而方向相同者稱為共模干擾。

差模干擾（Differential-mode）：兩導(dǎo)線上的干擾電流，振幅相等，方向相反稱為差模干擾。

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共模(Common mode)是指存在于兩根或多根導(dǎo)線中，流經(jīng)所有導(dǎo)線的電流都是同極性的，差模(Differential mode)是指在導(dǎo)線對上的電流極性是相反的。 共模干擾的干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上幅度／相位相同，它在電纜與大地之間形成回路流動，見圖(a)。差模干擾的干擾電流在信號線與信號地線之間流動，見圖(b)。 由于共模干擾與差模干擾的干擾電流在電纜上的流動方式不同，對這兩種干擾電流的濾波方法也不相同。因此在進(jìn)行濾波設(shè)計之前必須了解所面對的干擾電流的類型。

電壓電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時有二種形態(tài)，我們將此稱做“共?！焙汀安钅！?。設(shè)備的電源線、電話等的通信線、與其它設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線路，至少有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號。但在這兩根導(dǎo)線之外通常還有第三導(dǎo)體，這就是“地線”。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別做為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做返回路傳輸。前者叫“差?！保笳呓小肮材！薄?串模干擾（差模干擾）與共模干擾（接地干擾）。以主板上的兩條PCB走線（連接主板各元件的導(dǎo)線）為例，所謂串模干擾，指的是兩條走線之間的干擾；而共模干擾則是兩條走線和PCB地線之間的電位差引起的干擾。

扼流圈 抑制共模干擾的主要方法是應(yīng)用共模扼流圈。共模扼流圈是共模插入損耗中起主導(dǎo)作用的電感元件。它是在一個磁環(huán)/閉合磁路的上下兩個半環(huán)上，分別繞制相同匝數(shù)但繞向相反的線圈。

差模干擾指的是干擾電壓存在于信號線及其回線之間。干擾回路則是在導(dǎo)線與回線構(gòu)成的回路中流動。 抑制差模干擾的主要方法是應(yīng)用共差扼流圈。差模扼流圈是差模插入損耗中起主導(dǎo)作用的電感元件。它采用單個繞組結(jié)構(gòu)繞制，而不像共模扼流圈那樣在一個磁芯上采用兩個相同繞組的結(jié)構(gòu)。

共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件，要對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。原理是流過共模電流時磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當(dāng)兩線圈流過差模電流時，磁環(huán)中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無衰減地通過。電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz，最高可達(dá)150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。 若從形成特點看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。差模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性(EMC)的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應(yīng)對串模、共模干擾都起到抑制作用。 大部分電路設(shè)計中，共模電感的取值通常是5-33mH，典型值是10-33mH，也可根據(jù)共模電感的計算公式計算出電感量的最小值。 X1為頻率為f時的阻抗值。本次選擇的是33mH/3A的共模電感。

05 ? 【什么是共模殘壓】

共模電壓(common mode voltage):在每一導(dǎo)體和所規(guī)定的參照點之間（往往是大地或機架）出現(xiàn)的相量電壓的平均值。或者說同時加在電壓表兩測量端和規(guī)定公共端之間的那部分輸入電壓。

差模電壓（symmetrical voltage）：一組規(guī)定的帶電導(dǎo)體中任意兩根之間的電壓。所以差模電壓又稱對稱電壓。

在規(guī)定波形，標(biāo)稱放電電流沖擊氧化鋅閥片，閥片兩端測到的電壓峰值，稱為殘壓。殘壓與壓敏電壓的比值，殘壓比。雷擊，閃電會在輸入/輸出電源線上產(chǎn)生瞬間高壓，大電流，影響用戶設(shè)備穩(wěn)定運行，嚴(yán)重時會造成設(shè)備損壞。避雷器按接法分可分為共模接法和差模接法兩種：避雷器接在相線之間或相線與零線之間稱為差模接法，即所謂橫向保護。避雷器接在相線與地線之間或零線與地線之間稱為共模接法，即所謂縱向保護。

消除共模干擾

（1）采用屏蔽雙絞線并有效接地 （2）布線時遠(yuǎn)離 高壓線，更不能將高壓電源線和信號線捆在一起走線 （3）采用 線性穩(wěn)壓電源或高品質(zhì)的 開關(guān)電源(紋波干擾小于50mV) （4）使用差分式電路 （5）在信號線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進(jìn)行濾波,濾去共模傳導(dǎo)噪聲。 消除差模干擾 （1）前提是減小共模干擾，不然共模干擾可能轉(zhuǎn)化為差模干擾 （2）采用差模扼流圈。

審核編輯：黃飛

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