📚 课程目录第4章差模与共模噪声分离

4. 差模与共模噪声分离

在传导发射测试中，LISN（Line Impedance Stabilization Network，线路阻抗稳定网络）输出端测到的电压，实际上是差模噪声与共模噪声叠加后的结果。若不加分离就直接整改，很容易出现“加了X电容却对共模无效”“加了共模电感却压不下差模尖峰”的反复试错。因此，理解差模与共模的定义、各自的传播路径，以及LISN如何把两者转换为可测量的电压，是EMI滤波设计的第一步。

一、差模与共模的定义

以两线制电源（L线与N线）为例，定义两个噪声电流分量：

差模噪声（DM）：在L线与N线上大小相等、方向相反的电流，记为 I_DM。它由L线与N线之间的电位差驱动，噪声源位于两条电源线之间，回路是“L线→噪声源→N线”。
共模噪声（CM）：在L线与N线上大小相等、方向相同的电流，记为 I_CM。它由电源线与参考地（机壳/大地）之间的电位差驱动，回路是“L/N线→噪声源→寄生电容→地→LISN地”。

实际线路上的电流是两者的叠加：

I_L = I_CM + I_DM
I_N = I_CM - I_DM

由此可反解：
I_CM = (I_L + I_N) / 2
I_DM = (I_L - I_N) / 2

这两个公式是差模/共模分离的核心。它说明：只要分别测出L线和N线上的噪声电压，就能通过加、减运算把两种模式分离开。注意，这里的“方向”约定为：以从电源流向负载（从LISN流向EUT）为正方向，全文及图示均采用这一约定。

二、传播路径的差异

差模噪声的传播路径是“线—线”回路，回路面积小、阻抗低，主要出现在低频段（通常150 kHz～1 MHz），典型来源是开关电源的脉动电流、整流桥后的电解电容纹波电流。共模噪声的传播路径是“线—地”回路，必须经过寄生电容（如MOSFET漏极对散热器的C_ds、变压器原副边之间的C_ps、PCB走线对机壳的C_pcb），回路面积大、阻抗高，主要出现在高频段（通常1 MHz～30 MHz），典型来源是开关节点的高dv/dt。

下图给出两种噪声在LISN与EUT之间的传播路径，以及LISN内部如何把线电流转换为可测量的电压。

三、LISN的测量原理

LISN的作用可以概括为三点：

隔离电网阻抗：在EUT与电网之间插入50 µH电感，使EUT看到的电源阻抗在150 kHz～30 MHz范围内稳定为50 Ω，避免电网阻抗波动影响测量重复性。
提供稳定测量阻抗：L线与N线各通过一个50 Ω电阻（或50 Ω接收机输入阻抗）对地，把线电流转换为电压 V_L 和 V_N。
分离差模与共模：由于LISN对L线和N线是对称的，测量得到的 V_L 和 V_N 可以按上面的公式组合，得到 V_CM 和 V_DM。

需要特别说明：LISN输出的是电压，而差模/共模分离公式中的电流关系，在50 Ω对称阻抗下可以等效为电压关系。因此工程上直接使用 V_CM 和 V_DM 进行频谱分析即可。

四、用onsemi评估板进行差模/共模分离的实操方法

下面以onsemi某款同步Buck评估板（例如基于NCP/NCV系列控制器的评估板）为例，给出可复现的分离流程。示例参数为教学假设，实际应以评估板手册和实验室条件为准。

步骤1：搭建测试环境。将评估板输入端通过LISN接入交流电源，LISN的L线和N线测量端口分别接频谱仪或EMI接收机的两个通道（或使用同轴开关切换）。评估板输出端接额定负载（如12 V/5 A电子负载），确保工作在连续导通模式。频谱仪设置：起始频率150 kHz，终止频率30 MHz，RBW 9 kHz，检波方式准峰值或峰值，扫描时间自动。

步骤2：分别测量V_L和V_N。先测L线对地电压，保存频谱曲线为 V_L(f)；再测N线对地电压，保存为 V_N(f)。两次测量之间保持评估板工作状态、负载和频谱仪设置完全一致，否则相位关系会被破坏。

步骤3：计算V_CM和V_DM。若频谱仪支持数学运算，可直接在仪器内做 (V_L+V_N)/2 和 (V_L−V_N)/2。若使用离线处理，把两条曲线导出为CSV，按复数形式计算（注意保留相位），再取模值。工程近似下，若只关心幅值包络，也可用幅值直接运算，但会引入最大6 dB的误差，建议优先使用复数运算。

步骤4：结果判读。典型结果如下（示例数据，非实测）：

频段	V_DM主导	V_CM主导	判断依据
150 kHz～1 MHz	是	否	V_DM比V_CM高6～15 dB
1 MHz～5 MHz	过渡	过渡	两者相差在3 dB以内
5 MHz～30 MHz	否	是	V_CM比V_DM高10 dB以上

若在150 kHz～1 MHz发现V_DM明显高于V_CM，应优先在L线与N线之间增加X电容或差模电感；若在5 MHz以上发现V_CM主导，应优先在L/N线与地之间增加Y电容，或改善变压器屏蔽、减小开关节点对散热器的寄生电容。这样，整改方向就由数据直接决定，而不是靠猜测。

实操提示：分离测量时，LISN的接地必须与评估板机壳地、频谱仪地保持同一点接地，避免地环路引入额外共模电流。若使用两个通道同时测量，注意通道间相位一致性，必要时先用已知信号校准。

常见误区：直接把V_L和V_N的幅值相减当作V_DM，忽略相位，会在某些频点得到错误结论。差模/共模分离必须保留相位信息，或使用具备复数运算能力的接收机。

掌握差模与共模的定义、传播路径差异以及LISN的对称测量原理后，就能用onsemi评估板完成一次完整的噪声分离实验，并据此选择X电容、Y电容、共模电感或差模电感，使EMI整改从“试错”变为“定向设计”。