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电压和电流的变化通过导线传输时呈现两种形态,即“共模”和“差模”。在任何涉及电力或信号传输的设备中,至少有两根导线用于往返传输。此外,通常存在第三导体——地线。根据电流流动的方式,我们可以区分出:
共模:如图一黄色回路所示,电流使用两根导线作为去路,而地线作为返回路径。
差模:如图一蓝色回路所示,电流分别通过两根导线进行往返传输。
图一
共模干扰发生在导线与地(或机壳)之间,属于非对称性干扰,指的是任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差。共模干扰的特点是幅度较大、频率较高,并且可以通过导线产生辐射,因此其造成的干扰相对较为严重。
差模干扰则是在两根导线之间传输的对称性干扰,定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。差模干扰的幅度较小、频率较低,因此其干扰影响相对较小。
共模干扰的电流虽然大小不一定相等,但方向(相位)相同。大多数电气设备对外产生的干扰以及外部对设备的干扰以共模形式为主。然而,如果共模干扰转变为差模干扰,问题就会变得严重,因为有用的信号通常是差模信号。
相比之下,差模干扰的电流大小相等且方向(相位)相反。由于布线中的分布电容和电感、信号走线阻抗不连续,或者信号回流路径经过了意外的通路等因素,差模电流可能会转换成共模电流。
共模干扰的来源包括但不限于:
来自电网的串入共模干扰电压。
辐射干扰,例如雷电、设备电弧、附近电台或大功率辐射源在信号线上感应出的共模干扰。
接地电压差异导致的地线-零线回路面积与地线-火线回路面积不同,造成电流大小不一致。
设备内部线路对电源线造成的共模干扰。
差模干扰的产生通常直接注入同一电源线路中,比如在同一电路中工作的电机、开关电源、可控硅等元件在电源线上产生的干扰就是差模干扰。
了解共模和差模的概念及其相互转换机制对于设计有效的电磁兼容(EMC)策略至关重要,可以帮助工程师们更好地处理电子系统中的噪声问题,确保系统的稳定性和可靠性。