Buck电路共模噪声和差模噪声的区别？

最近一朋友所在公司要进行本年度的第二波裁员，刚好我那个朋友就在名单里。这几天他已经在整简历，准备面试。碰巧上周日他问了我几个问题，我觉得问题挺不错，拎出来一个，一起讨论下。

 

一道面试题…

照例，先抛出来一道问题：Buck电路的共模噪声传导骚扰路径是怎样的？

这个问题看似简单，实则很考验功底。这个问题中包含了3个关键词：Buck、共模噪声、传导。所以面试者就需要清楚：

①Buck电路的拓扑架构，这个前面聊过很多，老粉必然很熟，不重复介绍；

②共模噪声和差模噪声的区别？如果连共模和差模都分不清，那没得聊了；

③共模噪声和差模噪声的产生源头在哪里？如果你连源头都不知道，那你怎么可能清楚路径；

④共模噪声传导骚扰的路径是怎样的？注意不是辐射骚扰。

我认为这些拓展问题，想要解释清楚，是有挑战的。考验个人对Buck电路、差共模噪声、EMI原理等相关知识的理解。适用于面试工作4-5年以上的高级硬件开发工程师岗位。

当然，这个问题也很有指向性，已经给我们划定了范围，我们就不用考虑差模噪声，不用考虑辐射骚扰等，不然这问题难度就翻倍了。

下面我们就针对细化出来的4个问题，逐个分析。

 

1、Buck电路的拓扑架构

如上图所示，Buck电路的拓扑架构，具体我就不展开了。相信关注“硬件微讲堂”比较久的同学已经非常清楚，毕竟咱们基于Buck电路聊了很多问题。新来的同学可以自己从《40篇原创技术文章，拿走不谢！》里面自行学习。

 

2、共模噪声和差模噪声

从EMI层面，噪声分为两类？共模噪声和差模噪声。

关于差共模信号，网上介绍很多，五花八门，这里只说下自己的理解：

1）差模信号，是相对传输线回路负极的信号，信号回流都是通过传输线回流到信号源的负极；

2）共模信号，是相对Earth GND的信号，信号回流都是通过寄生电容、分布电容等杂散电容以位移电流的形式回流到Earth GND；

（上述为个人理解，非官方定义，不甚严谨，仅供理解和参考）

如上图所示，差模信号，很容易理解，物理回路是看得见、摸得着的。而共模信号则相对麻烦，回流路径看不见、摸不着、难琢磨。

在共模信号的描述中有三个关键词：杂散电容、位移电流、Earth GND。

先说杂散电容，如上图所示，因为器件本身存在寄生电容，PCB走线存在分布电容，就算是信号回路的负极对Earth GND也是存在电容的，这些都会成为共模信号的回流路径，关键还是看不见的路径。

再说位移电流，网上给的解释：电位移矢量随时间的变化率对曲面的积分。太绕了！通俗来说，就是电场的变化率，它不是电荷做定向运动的电流，这点不同于“传导电流”，但它会引起变化的磁场，而且与传导电流引起的变化磁场等效。位移电流不产生热效应和化学效应，但会引起磁场变化，神奇吧！

上面提到的传导电流，是导体中运动电荷形成的电流，比如自由电子的定向运动，这就是我们常说的电流。注意和位移电流做区分。

还有Earth GND，这是大地，注意与为信号提供电流回流的GND做区分。GND是电源回路的负极，是一个选定的参考电位，但这并不是真正意义上的零电位。在硬件测试环节中，有一项测试叫“地偏移”，就是在GND上叠加一定的电平，造成整个电气系统的参考电位太高，看整个系统还能否稳定工作。真正的零电位应该是Earth GND。

上面说了这么多共模信号、差模信号。如果把“信号”换成“噪声”，是一样的道理。共模噪声、差模噪声从物理层面来讲，也是一种电气信号，只不过它们是我们不想要、不期望有的信号，我们需要尽可能去抑制。

坦白讲，也只能尽可能去抑制。想要完全消除差共模噪声，不可能！绝对不可能！如何才能愉快地共处，这是一门技术！

 

3、共模噪声和差模噪声的产生

在上面一小节是通过回流方式来区分共模和差模，可是这个共模噪声和差模噪声的源头在哪里，如何产生的呢？

熟悉Buck电源工作原理的同学必然知道其存在两条电流回路，这个在讲《纯干货！DC-DC的电感计算公式推导过程！》有介绍过，如上图中两个红框，分别就是两个电流回路的波形，均表现为周期性梯形结构，其中都存在电流陡峭变化的情况，具有非常高的di/dt，必然蕴含很多高次谐波，这就是差模噪声的源头。通常差模噪声表现为“电流驱动”噪声。

无独有偶，如黄色框所示，在电感L的左侧SW节点上，电压波形表现为周期性矩形结构，其中存在电压陡峭变化的情况，具有非常高的dV/dt，蕴含很多高次谐波，这就是共模噪声的源头。通常差模噪声表现为“电压驱动”噪声。

这里可以留两个思考题：

①MOS管的di/dt会产生共模噪声么？

②SW节点的dV/dt会产生差模噪声么？

顺便说下，这两个问题不简单的嗷！自己琢磨琢磨。

审核编辑：黄飞