差模与共模干扰及滤波原理#

1. 先给出结论#

对于一组双导线，设两根线相对于某个参考节点的电压分别为 $V_1$ 和 $V_2$ 。任意一组电压都可以分解为：

共模（Common Mode，CM）：两根线一起相对于参考点移动的部分；
差模（Differential Mode，DM）：两根线彼此相对的部分。

最常用的定义是：

V_{CM}=\frac{V_1+V_2}{2}

V_{DM}=V_1-V_2

反过来：

V_1=V_{CM}+\frac{V_{DM}}{2}

V_2=V_{CM}-\frac{V_{DM}}{2}

其中 $V_{DM}$ 也有另一种常见定义：

V_{DM,half}=\frac{V_1-V_2}{2}

两种定义只差一个 2 倍因子。阅读数据手册、滤波器规格或仿真结果时，必须先确认采用的是哪一种约定。

> 记忆方法：共模看平均值，差模看差值。

2. 用电压图理解两种模式#

2.1 纯共模#

若两根线同时升高相同电压：

V_1=+2\text{ V},\qquad V_2=+2\text{ V}

则：

V_{CM}=\frac{2+2}{2}=2\text{ V}

V_{DM}=2-2=0

示意图：

1
参考地 ─────────────────────────────
2
导线 1 ─────── +2 V ────────────────
3
导线 2 ─────── +2 V ────────────────
4

5
两根线对地相同，线间电压为 0：纯共模

2.2 纯差模#

若两根线相对于参考点大小相等、极性相反：

V_1=+1\text{ V},\qquad V_2=-1\text{ V}

则：

V_{CM}=\frac{1+(-1)}{2}=0

V_{DM}=1-(-1)=2\text{ V}

示意图：

1
参考地 ─────────────────────────────
2
导线 1 ─────── +1 V ────────────────
3
导线 2 ─────── -1 V ────────────────
4

5
两根线对地相反，线间存在 2 V：纯差模

2.3 一般情况是两者叠加#

实际电路很少是纯粹的单一模式。例如：

V_1=3\text{ V},\qquad V_2=1\text{ V}

则：

V_{CM}=2\text{ V},\qquad V_{DM}=2\text{ V}

也就是说，两根线上同时存在一个 2 V 的共同抬升，以及一个 2 V 的线间差值。

3. 差分信号并不是“完全不需要地”#

差分接收器主要测量：

V_{DM}=V_1-V_2

理想情况下，如果两根线同时受到相同的干扰 $V_N$ ：

V_1'=V_1+V_N,\qquad V_2'=V_2+V_N

那么：

V_1'-V_2'=(V_1+V_N)-(V_2+V_N)=V_1-V_2

共同干扰在差分相减时被抵消，这就是差分传输的抗共模干扰能力。

但真实差分系统仍然需要：

收发器输入共模电压处于数据手册允许范围内；
合理的信号返回路径；
必要时通过地线、屏蔽层、隔离电容或隔离变压器控制共模电流；
控制两根线的阻抗、长度、耦合和布线对称性。

因此，“差分信号不依赖参考地”更准确的说法是：有用信息主要由线间电压携带，但系统的共模电位和回流路径仍然必须满足电气与 EMC 要求。

4. 共模干扰与差模干扰#

4.1 共模干扰#

共模干扰是叠加在两根导线上的同向分量。理想共模干扰满足：

V_{N1}=V_{N2}=V_{CM,N}

它通常表现为两根线同时相对于机壳、保护地或电路参考地发生电位变化。

常见来源包括：

开关节点通过寄生电容向散热片、机壳、线缆耦合；
不同设备之间的地电位差；
电机、变频器、继电器和开关电源产生的快速 $dv/dt$ ；
线缆对外部电场的同向感应；
电源浪涌通过保护地、机壳或寄生路径传播。

共模电流的典型回路不是“只在两根线之间”闭合，而可能是：

1
噪声源 ── 导线 1 ── 负载
2
   │                  │
3
   └─ 寄生电容/机壳 ──┘
4
          参考地、保护地或空间电场

4.2 差模干扰#

差模干扰是两根导线之间的无用电压或电流分量。理想差模干扰满足：

V_{N1}=-V_{N2}

它的电流主要沿两根导线构成的线间回路流动。

常见来源包括：

开关电源电感、电容和开关管产生的纹波；
相邻线之间的电感耦合和电容耦合；
传输线阻抗不连续造成的反射；
整流、PWM、DC/DC 开关动作产生的脉动电流；
负载电流变化通过公共阻抗形成的线间压降。

5. 共模和差模不是按固定频率划分的#

“差模主要是低频，共模主要是高频”只能作为某些特定设备的经验，不能作为普遍定义。两种模式都可能出现在从直流、工频到数百 MHz 甚至更高的频率范围。

模式的判断依据是电流/电压的路径和相对关系，不是频率本身：

判断维度	共模（CM）	差模（DM）
电压关系	两根线相对参考点的同向分量	两根线之间的相对分量
理想极性	同相、等幅	反相、等幅
主要回路	导线与地、机壳、寄生电容之间	两根导线之间
典型测量	每根线对地，或共模电流探头	线间电压、线间电流
典型器件	共模电感、Y 电容、屏蔽和接地结构	差模电感、X 电容、串联阻尼
频率范围	取决于噪声源和寄生参数	取决于噪声源和寄生参数

6. 共模干扰为什么会转化为差模干扰#

理想对称电路可以把共模干扰完全抵消，但真实电路存在不平衡：

两根线的串联阻抗不同；
走线长度、间距、过孔数量不同；
两个输入端的寄生电容不同；
共模电感两绕组参数不一致；
保护器件、连接器和负载不对称。

例如，两根线分别经过 $Z_1$ 和 $Z_2$ 后，原本相同的共模电流会产生不同压降：

\Delta V=I_{CM}(Z_1-Z_2)

这部分不相等的压降就表现为差模误差。可以概括为：

共模干扰本身可能被差分接收器抑制，但电路不平衡会把它转换成差模干扰。

因此，抗共模干扰不能只依赖接收器的 CMRR，还要控制布局、器件匹配和回流路径。

7. 共模滤波#

7.1 共模电感（Common Mode Choke）#

共模电感通常把两根导线同时穿过同一个磁芯。绕组极性经过设计，使两种电流产生的磁通不同：

1
                 共模电感
2
线 1 ────────────┐  ┌────────────
3
                 ╲╱
4
线 2 ────────────┘  └────────────
5

6
共模电流：两根线同向流动 → 磁通相加 → 阻抗高
7
差模电流：两根线反向流动 → 磁通抵消 → 对有用信号影响较小

这里的“同向/反向”应理解为相对于磁芯绕组极性的电流方向，不能只看导线在图纸上向左还是向右。

理想情况下：

共模电流看到较大的共模电感 $L_{CM}$ ，阻抗约为
$|Z_{CM}|\approx\omega L_{CM}$
差模电流主要只看到漏感和绕组串联电阻，阻抗相对较低。

实际共模电感仍有：

漏感和绕组电阻；
磁芯损耗；
自谐振频率；
共模电流、绕组不平衡或直流偏置导致的磁芯饱和；
两绕组不对称造成的模式转换。

因此不能只根据标称电感量判断整个频段的滤波效果，应查看阻抗曲线和实际测试结果。

7.2 Y 电容#

Y 电容连接在导线与保护地、机壳或指定参考结构之间，为共模高频电流提供旁路路径：

1
线 1 ────────────────┬── Y 电容 ──┐
2
                     │            ├── 保护地/机壳
3
线 2 ────────────────┴── Y 电容 ──┘

在高频下：

|Z_C|=\frac{1}{2\pi fC}

频率越高，Y 电容阻抗越低，共模噪声更容易被引导到机壳或保护地。

Y 电容必须使用符合安全标准的安规电容。其容量不能只按“越大越好”选择，因为在交流电源下会产生漏电流：

I_{leak}\approx2\pi fCV

单个电容的容量越大、工作电压越高、频率越高，漏电流越大；多个 Y 电容的漏电流还需要按实际连接方式合计。Y 电容的选型必须同时满足耐压、爬电距离、漏电流、接地结构和安规等级要求。

> 不要用普通陶瓷电容随意替代跨接市电导线与保护地的 Y 电容，也不要把 Y 电容接到一个可能悬浮或不可承受高频电流的信号地上。

8. 差模滤波#

8.1 差模电感#

差模电感串联在差模电流路径中，使噪声电流在线间回路上看到较高阻抗：

1
线 1 ─── 差模电感 ─── 负载
2
                         │
3
线 2 ────────────────────┘

其基本趋势为：

|Z_L|=\omega L

频率越高，串联电感的阻抗越大，因此可以抑制高频差模纹波。

但差模电感通常承载全部负载电流，需要关注：

额定电流；
直流电阻和铜损；
直流偏置下的电感量下降；
磁芯饱和；
与 X 电容、寄生参数形成的谐振。

8.2 X 电容#

X 电容并联在两根导线之间，为差模噪声提供线间旁路路径：

1
线 1 ────────────────┐
2
                     ├── X 电容 ──┤
3
线 2 ────────────────┘

因为 X 电容位于两根线之间，它主要处理差模电压，而不会像线对地电容那样直接增加对地漏电流。

X 电容同样需要使用相应的安规等级和额定电压。在线路断电后，X 电容可能仍然带电，通常需要配置放电电阻，并满足规定的放电时间。

9. X 电容和 Y 电容不能互换#

元件	典型连接位置	主要抑制模式	主要安全关注点
X 电容	线与线之间	差模干扰	失效模式、额定电压、断电后放电
Y 电容	线与保护地/机壳之间	共模干扰	漏电流、耐压、绝缘和失效安全

不能仅因为两者都是电容就互换位置。X、Y 是不同的安规分类，针对的故障后果和测试要求不同。

10. 常见 EMI 滤波器的组合#

一个典型的电源入口滤波器可能同时包含：

1
输入线 1 ── 共模电感 ── 差模串联阻抗 ── 输出线 1
2
                 │                 │
3
                 └── Y 电容到机壳    └── X 电容跨线
4
                 │                 │
5
输入线 2 ── 共模电感 ── 差模串联阻抗 ── 输出线 2

实际电路中的器件顺序、数量和接地位置需要根据噪声频段、机壳结构、漏电流限制和安全标准确定，不能机械套用“前端一定是共模滤波、后端一定是差模滤波”的顺序。

常见组合思路是：

共模电感提高共模路径的串联阻抗；
Y 电容缩短高频共模电流到机壳或保护地的路径；
差模电感提高线间噪声的串联阻抗；
X 电容降低线间高频噪声的阻抗；
阻尼网络抑制 LC 谐振，避免滤波器在某一频段放大噪声。

11. 用阻抗和回路判断该用哪种滤波器#

11.1 先判断噪声电流的回路#

问自己两个问题：

噪声电流主要是在两根线之间往返吗？
噪声电流是否经由机壳、保护地、寄生电容或空间电场返回？

前者通常是差模问题，后者通常是共模问题。

11.2 再看滤波器给噪声提供了什么阻抗#

串联电感：提高噪声通过路径的阻抗；
并联电容：降低噪声旁路路径的阻抗；
共模电感：主要提高同向电流的阻抗；
X 电容：降低线间差模噪声的阻抗；
Y 电容：降低线对地共模噪声的阻抗。

滤波器是否有效，取决于“噪声源阻抗、滤波器阻抗、负载阻抗和回路寄生参数”的共同关系，而不是只看某个电感或电容的标称值。

12. 测量与排查方法#

12.1 区分差模和共模#

测量两根线之间的电压：观察差模电压；
分别测量每根线对机壳或参考地的电压：观察共模变化；
使用共模电流探头套住两根线：两根线同向电流会相加，反向电流会相互抵消；
用近场探头寻找高 $dv/dt$ 开关节点和高 $di/dt$ 回路；
对电源端口可使用 LISN 配合频谱仪或示波器测量传导发射。

12.2 示波器安全#

台式示波器的地夹通常与保护地相连。测量市电、浮地系统或高压节点时：

不要把普通探头地夹夹到非地节点；
使用差分探头、隔离测量设备或合适的安全测试夹具；
不要为了“消除地环路”而随意断开保护地；
测量前确认探头额定电压、共模范围和 CAT 等级。

12.3 设计验证#

滤波器加入后至少要检查：

有用信号幅度和相位是否被过度衰减；
电源启动、负载突变和短路条件下是否饱和或过热；
X 电容断电后的放电时间；
Y 电容造成的漏电流；
滤波器是否引入新的谐振峰；
传导发射和辐射发射是否都得到改善。

13. 几个容易混淆的说法#

容易误解的说法	更准确的表述
差分信号完全不需要地	有用信息主要在线间电压中，但收发器仍受共模输入范围和回流路径限制
共模一定是高频，差模一定是低频	两种模式都可能覆盖很宽频段，模式由电流路径和相对关系决定
两根线对地电压相同，所以一定没有干扰	可能存在很大的共模干扰，只是理想差分接收器不把它转换成差模输出
共模电感就是两个普通电感	两绕组共享磁芯并经过极性设计，目标是让 CM 阻抗高、DM 阻抗低
X 电容和 Y 电容可以互换	X 电容跨线，Y 电容接线到地/机壳，安规分类和失效要求不同
Y 电容越大越好	容量越大，通常漏电流越大，还可能改变系统共模谐振和接地电流
220 V 相线和零线只是共模信号	相线与零线之间的 220 V 是差模电压；对地电压还可能包含共模分量
加一个高通就能去掉所有工频干扰	只有当工频位于有效信号的非必要频段且滤波器路径正确时才成立，共模干扰还需分析对地回路

14. 一句话总结#

差模描述两根线之间的相对变化，共模描述两根线一起相对于参考结构的变化；差模滤波处理线间回路，共模滤波处理线对地或机壳回路，最终效果取决于完整的噪声路径、阻抗和安全约束。