差模噪声和共模噪声的计算

EMC-3---噪声的传输和放大

引言：噪声是一个不容忽视的重要问题，无论在哪个领域，都需要采取降噪措施来解决噪声，电子设备的精度和分辨率受制于信噪比。此外，噪声辐射过大的产品可能会对其他设备造成不利影响，在某些情况下甚至可能还会导致严重事故。因此噪声在世界各地均受到有关法律法规的约束，在日本有《电气用品安全法》，在美国有FCC，在欧盟有英国等不同国家和地区的标准，除此之外，还有CISPR、IEC和ISO等国际标准，不符合这些安全标准的产品不能在相应的国家和地区出售，也不能进出口。

1.差模/共模噪声

EMC-1（传送门：EMC-1：噪声的本质和信号的频谱）中将电磁干扰EMI分为“传导噪声”和“辐射噪声”两种。其中，传导噪声根据传导方式可分为“差模噪声”和“共模噪声”两种。这里将差模噪声和共模噪声不视作噪声类型，而是定义为传导噪声的流转方式，如图3-1是差模噪声和共模噪声的噪声电流流向。

图3-1：左--->差模噪声传导路径；右--->共模噪声传导路径

差模噪声：噪声源于电源线串联进入，噪声电流与电源电流在同一路径流通，方向相同，在电源线之间产生噪声电压，属于电源线之间的差模噪声，差模干扰侵入往返两条信号线。由于往返方向相反而被称为“差模（Differential mode）”，本质是两根线之间的信号差值。差模信号的特点是幅度相等，相位相反，所有的差模电流全流过负载。

共模噪声：是经杂散电容等泄漏的噪声电流经由大地返回电源线的噪声，因电源的＋端和－端流过的噪声电流方向相同而被称为“共模（Common mode）”，在电源线间不产生噪声电压，而是电源线和基准GND之间产生噪声电压，所以共模噪声又称两根线分别对地的噪声，共模信号的干扰信号侵入线路和接地之间。共模信号的特点是幅度相等，相位相同，噪声电流在电源正极侧和负极侧同向流过。

如前所述，这些噪声就是传导噪声，由于电源线中流动着噪声电流，因此会发出噪声。

图3-2：差模噪声辐射三维视角

由差模噪声引起的辐射的电场强度Ed可通过图3-2中的公式来表示。Id为差模中的噪声电流，r为到观测点的距离，f为噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环，因此水平环路面积S是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，环路面积越大则电场强度越高。

图3-3：共模噪声辐射三维视角

由共模噪声引起的辐射的电场强度Ec可通过图2-3中的公式来表示。Ic为差模中的噪声电流，r为到观测点的距离，f为噪声频率。共模噪声同样会产生噪声电流环，因此垂直回路面积S（高度L很小可以忽略，那么就是线长L占主导）是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，走线长度越长则电场强度越高。这里注意两个概念区别，即环路面积和回路面积。

2.差模/共模噪声计算

为了更好地认识每种噪声引发的辐射特点，接下来代入实际数值来计算一下电场强度，电场强度的观测点用蓝色圆点来表示，其中探测距离1m，线路长20cm，宽1cm。

图3-4：计算参数

差模噪声：

设100MHz频率的差模噪声电流1uA，流过20cm²环路面积，距离1m处（90°）的电场强度值为：

共模噪声：

设100MHz频率的共模噪声电流1uA，流过20cm的线缆，距离1m处（90°）的电场强度值为：

即使噪声电流值相同，受共模噪声的影响也很大，上面计算结果共模噪声是差模噪声的96倍，如果线束采用绞合线则面积S减小，差模噪声减少，面积S对共模噪声无影响。

噪声电流值相同的情况下，共模噪声辐射要大得多，如果这些传导噪声和辐射噪声即EMI如果超出了容许范围，就需要采取降噪对策。特别是在考虑辐射噪声对策时，针对共模噪声的对策尤为重要。原则性的降噪对策是差模噪声要减少环路面积S（比如线缆采用绞合线），共模噪声要极力缩短线缆长度。不过一定会遇到受配置和材料等因素限制的情况，此时就需要探讨增加滤波器的方法。

＜小结＞

1：电磁干扰EMI可分为“传导噪声”和“辐射噪声”两种。

2：传导噪声可分为“差模（常模）噪声”和“共模噪声”两种。

3：关于辐射噪声，差模噪声的线缆环路面积、共模噪声的线长是非常重要的因素。

4：即使条件相同，共模噪声带来的辐射远远大于差模噪声。

3.串扰

串扰是由于线路之间的耦合引发的信号和噪声等的传播，两根线（包括PCB的布线）独立的情况下，相互间应该不会有电气信号和噪声等的影响，但是两根线平行的情况下，会因存在于线间的杂散（寄生）电容和电感而耦合引发干扰，所以串扰也可以理解为感应噪声。图3-5和图3-6为每种耦合的示意图以及最简化的等效电路。R为电阻，C为电容，M为互感系数，Vs为噪声源电压，Is为噪声源电流，Vs=V-Signal为信号源（噪声源），如下给出了从噪声源的line1到附近的line2所产生的噪声电压Vn。

图3-5：容性串扰

通过line间的杂散电容导致电容耦合，line1产生的噪声通过电容耦合在GND间产生噪声电压Vn：

图3-6：感性串扰

通过line间互感的电感耦合，line端产生的噪声通过电感耦合在GND之间产生的Vn：

在高频、line间的距离足够近、接收端高阻抗的条件下，串扰的效果将增加。

＜小结＞

1：平行的布线间会产生串扰。

2：串扰的因素有杂散（寄生）电容引发的电容耦合和互感引发的电感（电磁）耦合。