在電氣系統(tǒng)中，信號與干擾的傳輸形態(tài)直接影響設備性能。本文將系統(tǒng)解析共模信號與差模信號的特性、干擾產生機制及抑制方法，為電路設計與抗干擾優(yōu)化提供參考。

一、共模信號與差模信號的基本定義

單相電源線通常包含火線（L）、零線（N）和地線（PE）三根導線，電壓與電流的傳輸通過這些導線實現(xiàn)，根據(jù)傳輸路徑的不同可分為兩種基本形態(tài)：

1、差模信號：以兩根導線分別作為往返線路傳輸?shù)男盘?。例如火線與零線之間的信號傳輸—— 信號從火線流出，經零線返回，形成閉合回路，這種 “線對線” 的傳輸模式即為差模。

2、共模信號：以兩根導線作為去路、地線作為返回路徑傳輸?shù)男盘?。例如火線和零線同時作為信號流出端，信號最終通過地線返回，這種“線對地” 的傳輸模式即為共模。

簡單來說，差模信號是“兩根線之間的往返信號”，共模信號是 “兩根線共同對地的信號”。在實際電路中，有用信號（如數(shù)據(jù)傳輸信號、正常工作電流）多以差模形式存在，而干擾信號則可能同時包含共模和差模兩種成分。

二、共模干擾與差模干擾的特性

任何電源或信號線路上的干擾，都可分解為共模干擾和差模干擾。二者的本質區(qū)別在于干擾電流的流向、幅度及對電路的影響機制。

**2.1 共模干擾：非對稱干擾的特性 **

共模干擾是指在載流導體與參考地（如機殼、大地）之間存在的不希望有的電位差，屬于非對稱性干擾。其核心特性包括：

電流特征：干擾電流在兩根導線上的大小不一定相等，但方向（相位）完全相同。例如火線和零線上的共模電流均從導線流向地線，或均從地線流向導線。

干擾強度：通常幅度大、頻率高（主要集中在 1MHz 以上），且易通過導線向空間輻射，是電磁兼容（EMC）問題的主要來源。

間接危害為主：共模干擾本身一般不會直接影響設備，但其一旦因電路不平衡轉化為差模干擾，就會直接干擾有用信號（因有用信號為差模形式），造成信號失真、設備誤動作等問題。

**2.2 差模干擾：對稱干擾的特性 **

差模干擾是指在兩根載流導體之間存在的不希望有的電位差，屬于對稱性干擾。其核心特性包括：

電流特征：干擾電流在兩根導線上的大小相等、方向（相位）相反，與有用差模信號的傳輸模式一致。

干擾強度：通常幅度小、頻率低，直接危害相對較弱，但可能通過走線缺陷轉化為共模干擾。

轉化風險：由于線路分布電容、電感不均勻，或信號回流路徑異常（如未按預期路徑返回），差模電流可能轉化為共模電流，進而擴大干擾范圍。

三、共模干擾的產生原因與電流來源

共模干擾的來源復雜，既包括外部環(huán)境的電磁耦合，也包括電路系統(tǒng)內部的電位差。理解其產生機制是抑制干擾的基礎。

**3.1 共模干擾的四大產生原因 **

1、電網串入干擾

電網本身可能存在共模干擾電壓（如其他設備的開關動作、電網負載突變），通過電源線傳導至目標設備。

2、輻射感應干擾

雷電、設備電弧、電臺信號、大功率輻射源等產生的交變磁場，會在信號線上感應出共模電壓。由于地線 - 零線回路與地線 - 火線回路的面積、阻抗不同，感應電流大小存在差異，最終形成共模干擾。

3、接地電位差

不同接地點之間的電位差（如設備外殼接地與電源接地的電勢不同）會直接驅動共模電流，這是系統(tǒng)級干擾的常見原因。

4、設備內部干擾

設備內部的高頻電路（如開關電源、振蕩器）可能通過電磁輻射或傳導，對自身電源線產生共模干擾。

**3.2 共模干擾電流的三大來源 **

共模干擾通常以電流形式存在，其產生可歸納為三類驅動因素：

1、電磁感應驅動

外界電磁場在電路所有導線上感應出等幅、同相的電壓（相對于大地），該電壓推動電流形成共模干擾。

2、地電位差驅動

電路兩端器件的接地點電位不同（如設備輸入端接地與輸出端接地存在電勢差），在電位差作用下產生共模電流。

3、導線與大地電位差驅動

若電路走線與大地之間存在電位差（如導線絕緣層漏電、靜電積累），會直接在導線上形成共模電流。

四、共模干擾的危害與注意事項

共模干擾的危害不僅限于信號干擾，還可能影響設備的電磁輻射合規(guī)性及長期可靠性，需重點關注以下風險：

1、電磁輻射超標

電路走線上的共模干擾電流會使導線成為“天線”，向空間輻射電磁波，導致設備電磁輻射超過標準（如 CE、FCC 認證要求），干擾周邊電子設備。

2、共模轉差模的直接干擾

當電路存在不平衡（如兩根導線的阻抗不一致、布局不對稱）時，共模干擾電流會轉化為差模干擾電流，直接疊加在有用信號上，造成信號失真、測量誤差甚至設備失效。

**3、差模干擾的二次輻射 **

轉化后的差模干擾電流流過導線環(huán)路時，會使環(huán)路成為“小環(huán)天線”，既向空間輻射磁場，也可能接收外界磁場，形成干擾的 “二次傳播”。

4、低頻共模干擾的特殊情況

雖然共模干擾主要集中在5MHz 以上，但當線路靠近強磁場輻射源（如開關電源、電機）時，即使頻率較低（如幾百 kHz），也可能感應出強烈的共模干擾。

五、共模干擾與差模干擾的抑制方法

針對共模和差模干擾的特性，需采用差異化的抑制策略。其中，濾波是最直接有效的方法，輔以屏蔽、接地優(yōu)化等手段可進一步提升抗干擾能力。

**5.1 共模干擾的核心抑制手段：共模電感與共模電容 **

1、共模電感：利用磁場抵消衰減干擾

共模電感是繞在同一磁芯上的兩個同相繞組，其抑制共模干擾的原理是：

當共模干擾電流流經繞組時，因電流同向，磁芯中產生同向磁場，電感感抗增大（表現(xiàn)為高阻抗），從而衰減共模電流；

當正常差模電流（如有用信號）流經繞組時，因電流反向，磁芯中磁場相互抵消，感抗趨近于零，對有用信號無衰減作用。

典型應用：USB 接口的信號線上串聯(lián)共模電感，可有效抑制傳輸過程中的共模干擾，同時保留差分信號的完整性（USB 信號為差分傳輸模式）。

1、共模電容：旁路干擾電流

共模電容連接在導線與地之間，為共模干擾電流提供低阻抗通路，使其直接流入地而不進入電路。例如在電源輸入端并聯(lián)共模電容（X 電容、Y 電容），可將電網串入的共模干擾旁路至地線，避免干擾傳導至后續(xù)電路。

**5.2 差模干擾的抑制：差模電容的應用 **

差模干擾的抑制以差模電容為主，其連接在兩根導線之間（如火線與零線之間），原理是為差模干擾電流提供低阻抗回路，使其在干擾源附近被旁路，不流入敏感電路。例如電源回路中串聯(lián)差模電感（或并聯(lián)差模電容），可衰減火線與零線之間的差模干擾。

**5.3 輔助抑制手段：屏蔽與接地優(yōu)化 **

1、線路屏蔽

對敏感信號線（如傳感器信號線、數(shù)據(jù)傳輸線）采用屏蔽層包裹，屏蔽層建議雙端接地，可阻斷外界電磁場的感應路徑，減少共模干擾的耦合。

2、PCB 布局優(yōu)化

在電路板（PCB）上大面積鋪地，降低地線阻抗，減少不同接地點之間的電位差；要求回流路徑盡可能短且低阻抗，避免因線路不平衡導致的共模 - 差模轉化。

六、總結

共模信號與差模信號是電路中信號傳輸?shù)膬煞N基本形態(tài)，而共模干擾與差模干擾則是影響設備性能的主要電磁干擾來源。二者的核心區(qū)別在于電流流向與對稱性：共模干擾為“線對地” 的同向電流，差模干擾為 “線對線” 的反向電流。

共模干擾因幅度大、易輻射、可轉化為差模干擾而危害更大，其來源包括電網傳導、輻射感應、接地電位差及設備內部干擾。抑制共模干擾的關鍵是利用共模電感衰減干擾、共模電容旁路干擾，輔以屏蔽和接地優(yōu)化；差模干擾則可通過差模電容直接抑制。

通過理解干擾的產生機制與特性，針對性選擇濾波、屏蔽等手段，可有效降低電磁干擾對設備的影響，提升產品的穩(wěn)定性與電磁兼容性。

審核編輯 黃宇