共模與差模噪聲產生機制、傳導/輻射路徑及抑制電路設計全解析

前言

電子設備纜線上的電磁干擾（EMI）分為傳導噪聲與輻射噪聲，每類又可分解為差模與共模兩種模式。理解四種噪聲的形成路徑與頻譜特性，是設計有效抑制電路的前提。本文結合電路圖與公式，系統說明產生機制與對應抑制方案。

一、差模噪聲

1. 差模傳導噪聲

定義：設備內部噪聲電壓驅動，沿信號/電源迴路與正常電流同路徑流動的噪聲電流。
抑制對策（圖 8）：

• 串聯差模扼流圈（共模電感雙線並繞可兼顧）。
• 並聯濾波電容（X 電容）旁路高頻分量。
• 構成 LC 低通濾波器，截止頻率設於噪聲頻帶以下。

2. 差模輻射噪聲

機制：信號電流迴路面積輻射電磁波。
電場強度公式： $$E \propto \frac{I \cdot A \cdot f^2}{r}$$

• $I$：迴路電流，$A$：迴路面積，$f$：頻率，$r$：觀測距離。

• 輸入端加 LC 低通濾波器，阻止噪聲電流進入纜線。
• 使用屏蔽線纜或扁平線纜，使去/回導線緊鄰，極大縮小迴路面積 $A$。

二、共模噪聲

1. 共模傳導噪聲

機制（圖 9）：內部噪聲電壓 → 設備與大地間寄生電容 $C_p$ → 大地與纜線間形成共模迴路。
抑制對策（圖 10）：

• 串聯共模扼流圈：零/火線（或信號/回線）同向繞繞鐵氧體磁芯。對差模信號阻抗極小，對共模電流呈現高阻抗。
• 大地與導線間並聯 Y 電容，構成 LC 共模濾波器。

2. 共模輻射噪聲

機制：纜線端口存在共模電壓 → 驅動共模電流經大地輻射。
電場強度：與纜長 $L$、頻率 $f$ 成正比（$L \ll \lambda$ 時）。
抑制對策：

• PCB 多層板鋪設完整地平面，降低地阻抗。
• 纜線入口處加裝共模扼流圈或 LC 低通濾波器。
• 縮短纜線長度、改用屏蔽線纜（屏蔽層 360° 接地）。

三、綜合抑制元件：抗干擾變壓器

在特定電路（如隔離介面）可接入隔離變壓器，利用初次級耦合電容極小、共模阻抗極大的特性，同時抑制差模與共模噪聲（圖 11）。

四、設計檢查清單

五、圖示參考