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(多图) EMI/EMC设计讲座(三)传导式EMI的测量技术

作者:中国PCB技术网/于岳?? 2007年05月30日 ?? 收藏1

  「传导式(conducted)EMI」是指部分的电磁(射频)能量透过外部缆线(cable)、电源线、I/O互连界面,形成「传导波(propagation wave)」被传送出去。本文将说明射频能量经由电源线传送时,所产生的「传导式噪声」对PCB的影响,以及如何测量「传导式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制规定。
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差模和共模噪声

「传导式EMI」可以分成两类:差模(Differential mode;DM)和共模(Common mode;CM)。差模也称作「对称模式(symmetric mode)」或「正常模式(normal mode)」;而共模也称作「不对称模式(asymmetric mode)」或「接地泄漏模式(ground leakage mode)」。

  由EMI产生的噪声也分成两类:差模噪声和共模噪声。简言之,差模噪声是当两条电源供应线路的电流方向互为相反时发生的,如图1(a)所示。而共模噪声是当所有的电源供应线路的电流方向相同时发生的,如图1(b)所示。一般而言,差模讯号通常是我们所要的,因为它能承载有用的数据或讯号;而共模讯号(噪声)是我们不要的副

作用或是差模电路的「副产品」,它正是EMC的最大难题。从图一中,可以清楚发现,共模噪声的发生大多数是因为「杂散电容(stray capacitor)」的不当接地所造成的。这也是为何共模也称作「接地泄漏模式」的原因。

  在图二中,L是「有作用(Live)」或「相位(Phase)」的意思,N是「中性(Neutral)」的意思,E是「安全接地或接地线(Earth wire)」的意思;EUT是「测试中的设备(Equipment Under Test)」之意思。在E下方,有一个接地符号,它是采用「国际电工委员会(International Electrotechnical Commission;IEC)」所定义的「有保护的接地(Protective Earth)」之符号(在接地线的四周有一个圆形),而且有时会以「PE」来注明。DM噪声源是透过L和N对偶线,来推挽(push and pull)电流Idm。因为有DM噪声源的存在,所以没有电流通过接地线路。噪声的电流方向是根据交流电的周期而变化的。

  电源供应电路所提供的基本的交流工作电流,在本质上也是差模的。因为它流进L或N线路,并透过L或N线路离开。不过,在图二中的差模电流并没有包含这个电流。这是因为工作电流虽然是差模的,但它不是噪声。另一方面,对一个电流源(讯号源)而言,若它的基本频率是电源频率(line frequency)的两倍----100或120Hz,它实质上仍是属于「直流的」,而且不是噪声;即使它的谐波频率,超过了标准的传导式EMI之限制范围(150 kHz to 30 MHz)。然而,必须注意的是,工作电流仍然保留有直流偏压的能量,此偏压是提供给滤波抗流线圈(filter choke)使用,因此这会严重影响EMI滤波器的效能。这时,当使用外部的电流探针来量测数据时,很可能因此造成测量误差。

  差模和共模

  
图一:差模和共模噪声

  差模共模电路

  
图二:差模和共模噪声电路

  CM噪声源有接地,而且L和N线路具有相同的阻抗Z。因此,它驱动相同大小的电路通过L和N线路。不过,这是假设两者的阻抗大小相等。可以清楚地观察出,假使双方的阻抗不均衡(unbalanced),「不对称的」共模电流将分布在L和N线路上。这似乎是「用词不当」或与原定义不符,因为CM本来又称作「不对称模式」。为了避免混淆,此时的模式应该称作「非对称(nonsymmetric)模式」,好和「不对称模式」做区分。在大多数的电源供应电路中,在这个模式下所发出的EMI是最多的。

  利用不等值的负载或线路阻抗,就能够有效地将CM电流转换成一部分是CM电流,另一部分是DM电流。例如:一个DC-DC转换器(converter)供应电源给一个次系统,此次系统具有不等值(不均衡)的阻抗。而且在DC-DC转换器的输出端存在着尚未被察觉的共模噪声,它变成一个非常真实的(差动)输入电压涟波,并施加给次系统。没有次系统内建的「共模拒斥率(common mode rejection ratio;CMRR)」可以参考,因为此噪声不完全是共模的。到最后,此次系统可能会发生错误。所以,在产生共模电流时,就要马上降低它的大小,这是非常重要的,是第一要务。

 


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