共模信号、差模信号及干扰抑制全解析

在电气系统中，信号与干扰的传输形态直接影响设备性能。本文将系统解析共模信号与差模信号的特性、干扰产生机制及抑制方法，为电路设计与抗干扰优化提供参考。

一、共模信号与差模信号的基本定义

单相电源线通常包含火线（L）、零线（N）和地线（PE）三根导线，电压与电流的传输通过这些导线实现，根据传输路径的不同可分为两种基本形态：

1、差模信号：以两根导线分别作为往返线路传输的信号。例如火线与零线之间的信号传输—— 信号从火线流出，经零线返回，形成闭合回路，这种 “线对线” 的传输模式即为差模。

2、共模信号：以两根导线作为去路、地线作为返回路径传输的信号。例如火线和零线同时作为信号流出端，信号最终通过地线返回，这种“线对地” 的传输模式即为共模。

简单来说，差模信号是“两根线之间的往返信号”，共模信号是 “两根线共同对地的信号”。在实际电路中，有用信号（如数据传输信号、正常工作电流）多以差模形式存在，而干扰信号则可能同时包含共模和差模两种成分。

二、共模干扰与差模干扰的特性

任何电源或信号线路上的干扰，都可分解为共模干扰和差模干扰。二者的本质区别在于干扰电流的流向、幅度及对电路的影响机制。

**2.1 共模干扰：非对称干扰的特性 **

共模干扰是指在载流导体与参考地（如机壳、大地）之间存在的不希望有的电位差，属于非对称性干扰。其核心特性包括：

电流特征：干扰电流在两根导线上的大小不一定相等，但方向（相位）完全相同。例如火线和零线上的共模电流均从导线流向地线，或均从地线流向导线。

干扰强度：通常幅度大、频率高（主要集中在 1MHz 以上），且易通过导线向空间辐射，是电磁兼容（EMC）问题的主要来源。

间接危害为主：共模干扰本身一般不会直接影响设备，但其一旦因电路不平衡转化为差模干扰，就会直接干扰有用信号（因有用信号为差模形式），造成信号失真、设备误动作等问题。

**2.2 差模干扰：对称干扰的特性 **

差模干扰是指在两根载流导体之间存在的不希望有的电位差，属于对称性干扰。其核心特性包括：

电流特征：干扰电流在两根导线上的大小相等、方向（相位）相反，与有用差模信号的传输模式一致。

干扰强度：通常幅度小、频率低，直接危害相对较弱，但可能通过走线缺陷转化为共模干扰。

转化风险：由于线路分布电容、电感不均匀，或信号回流路径异常（如未按预期路径返回），差模电流可能转化为共模电流，进而扩大干扰范围。

三、共模干扰的产生原因与电流来源

共模干扰的来源复杂，既包括外部环境的电磁耦合，也包括电路系统内部的电位差。理解其产生机制是抑制干扰的基础。

**3.1 共模干扰的四大产生原因 **

1、电网串入干扰

电网本身可能存在共模干扰电压（如其他设备的开关动作、电网负载突变），通过电源线传导至目标设备。

2、辐射感应干扰

雷电、设备电弧、电台信号、大功率辐射源等产生的交变磁场，会在信号线上感应出共模电压。由于地线 - 零线回路与地线 - 火线回路的面积、阻抗不同，感应电流大小存在差异，最终形成共模干扰。

3、接地电位差

不同接地点之间的电位差（如设备外壳接地与电源接地的电势不同）会直接驱动共模电流，这是系统级干扰的常见原因。

4、设备内部干扰

设备内部的高频电路（如开关电源、振荡器）可能通过电磁辐射或传导，对自身电源线产生共模干扰。

**3.2 共模干扰电流的三大来源 **

共模干扰通常以电流形式存在，其产生可归纳为三类驱动因素：

1、电磁感应驱动

外界电磁场在电路所有导线上感应出等幅、同相的电压（相对于大地），该电压推动电流形成共模干扰。

2、地电位差驱动

电路两端器件的接地点电位不同（如设备输入端接地与输出端接地存在电势差），在电位差作用下产生共模电流。

3、导线与大地电位差驱动

若电路走线与大地之间存在电位差（如导线绝缘层漏电、静电积累），会直接在导线上形成共模电流。

四、共模干扰的危害与注意事项

共模干扰的危害不仅限于信号干扰，还可能影响设备的电磁辐射合规性及长期可靠性，需重点关注以下风险：

1、电磁辐射超标

电路走线上的共模干扰电流会使导线成为“天线”，向空间辐射电磁波，导致设备电磁辐射超过标准（如 CE、FCC 认证要求），干扰周边电子设备。

2、共模转差模的直接干扰

当电路存在不平衡（如两根导线的阻抗不一致、布局不对称）时，共模干扰电流会转化为差模干扰电流，直接叠加在有用信号上，造成信号失真、测量误差甚至设备失效。

**3、差模干扰的二次辐射 **

转化后的差模干扰电流流过导线环路时，会使环路成为“小环天线”，既向空间辐射磁场，也可能接收外界磁场，形成干扰的 “二次传播”。

4、低频共模干扰的特殊情况

虽然共模干扰主要集中在5MHz 以上，但当线路靠近强磁场辐射源（如开关电源、电机）时，即使频率较低（如几百 kHz），也可能感应出强烈的共模干扰。

五、共模干扰与差模干扰的抑制方法

针对共模和差模干扰的特性，需采用差异化的抑制策略。其中，滤波是最直接有效的方法，辅以屏蔽、接地优化等手段可进一步提升抗干扰能力。

**5.1 共模干扰的核心抑制手段：共模电感与共模电容 **

1、共模电感：利用磁场抵消衰减干扰

共模电感是绕在同一磁芯上的两个同相绕组，其抑制共模干扰的原理是：

当共模干扰电流流经绕组时，因电流同向，磁芯中产生同向磁场，电感感抗增大（表现为高阻抗），从而衰减共模电流；

当正常差模电流（如有用信号）流经绕组时，因电流反向，磁芯中磁场相互抵消，感抗趋近于零，对有用信号无衰减作用。

典型应用：USB 接口的信号线上串联共模电感，可有效抑制传输过程中的共模干扰，同时保留差分信号的完整性（USB 信号为差分传输模式）。

1、共模电容：旁路干扰电流

共模电容连接在导线与地之间，为共模干扰电流提供低阻抗通路，使其直接流入地而不进入电路。例如在电源输入端并联共模电容（X 电容、Y 电容），可将电网串入的共模干扰旁路至地线，避免干扰传导至后续电路。

**5.2 差模干扰的抑制：差模电容的应用 **

差模干扰的抑制以差模电容为主，其连接在两根导线之间（如火线与零线之间），原理是为差模干扰电流提供低阻抗回路，使其在干扰源附近被旁路，不流入敏感电路。例如电源回路中串联差模电感（或并联差模电容），可衰减火线与零线之间的差模干扰。

**5.3 辅助抑制手段：屏蔽与接地优化 **

1、线路屏蔽

对敏感信号线（如传感器信号线、数据传输线）采用屏蔽层包裹，屏蔽层建议双端接地，可阻断外界电磁场的感应路径，减少共模干扰的耦合。

2、PCB 布局优化

在电路板（PCB）上大面积铺地，降低地线阻抗，减少不同接地点之间的电位差；要求回流路径尽可能短且低阻抗，避免因线路不平衡导致的共模 - 差模转化。

六、总结

共模信号与差模信号是电路中信号传输的两种基本形态，而共模干扰与差模干扰则是影响设备性能的主要电磁干扰来源。二者的核心区别在于电流流向与对称性：共模干扰为“线对地” 的同向电流，差模干扰为 “线对线” 的反向电流。

共模干扰因幅度大、易辐射、可转化为差模干扰而危害更大，其来源包括电网传导、辐射感应、接地电位差及设备内部干扰。抑制共模干扰的关键是利用共模电感衰减干扰、共模电容旁路干扰，辅以屏蔽和接地优化；差模干扰则可通过差模电容直接抑制。

通过理解干扰的产生机制与特性，针对性选择滤波、屏蔽等手段，可有效降低电磁干扰对设备的影响，提升产品的稳定性与电磁兼容性。

审核编辑 黄宇