2.7 EMI共模電流的產(chǎn)生機(jī)理

EMI共模電流產(chǎn)生的EMC問題也稱為共模騷擾，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所考慮的EMI共模電流頻率主要集中在150kHz～1GHz之間（頻率1GHz以上的要求已在現(xiàn)有的EMC標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)），其中150kHz～30MHz頻率范圍內(nèi)對應(yīng)的測試項目是傳導(dǎo)騷擾測試，包括信號線的傳導(dǎo)騷擾測試和電源線的傳導(dǎo)騷擾測試，其中信號線上傳導(dǎo)騷擾最主要的測試工具是電流探頭。圖2-60為信號線傳導(dǎo)騷擾測試配置圖?？梢姡盘柧€上在頻率150kHz～30MHz之間的傳導(dǎo)騷擾測量的實(shí)質(zhì)就是評估信號線上的共模電流大小。

電源線的傳導(dǎo)騷擾包含差模部分和共模部分。圖2-61為LISN內(nèi)部原理圖。

圖2-61（a）是電源接口傳導(dǎo)騷擾測試時，被測設(shè)備（EUT）、線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）、接收機(jī)（Reciever）之間的連接關(guān)系。圖2-61（b）中箭頭線表示傳導(dǎo)騷擾的電流，它在50Ω電阻上產(chǎn)生的壓降就是所測量到的傳導(dǎo)騷擾電壓結(jié)果，圖2-61（b）中左圖是差模傳導(dǎo)騷擾電流流過LISN的原理圖，右圖是共模傳導(dǎo)騷擾電流路過LISN的原理圖。實(shí)踐證明，引起電源接口傳導(dǎo)騷擾問題的主要原因是共模傳導(dǎo)騷擾，可見對于電源接口的傳導(dǎo)騷擾的測試本質(zhì)是評估流過LISN的共模電流大小。

30MHz～1GHz頻段范圍內(nèi)對應(yīng)的測試項目是輻射發(fā)射測試。產(chǎn)品的輻射發(fā)射通常有兩種情況：一種是設(shè)備內(nèi)部工作電路形成的環(huán)路產(chǎn)生的輻射，其輻射形成的主要原因是差模電流；一種是設(shè)備的連接線、電纜，較長的PCB中的導(dǎo)體作為天線輻射電磁能量的載體，其輻射形成的主要原因是共模電流。其中后者引起的輻射是產(chǎn)品引起EMI輻射的主要原因，本章將主要討論產(chǎn)生這些共模電流的原因。

2.7.1 傳導(dǎo)騷擾與共模電流分析

1.電源接口上的傳導(dǎo)騷擾與共模電流

對開關(guān)電源來說，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開關(guān)電源的主要騷擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管、高頻變壓器、儲能電容等元器件組成。它產(chǎn)生的du/dt具有較大的幅度，頻帶較寬且諧波豐富。開關(guān)電源騷擾傳遞示意如圖2-62所示。

圖中，1、3、4都為共模騷擾電流傳輸路徑，它是dv/dt由載流導(dǎo)體與參考地之間的電位差產(chǎn)生的，是開關(guān)電源的主要騷擾。這種dv/dt脈沖騷擾主要是由高頻變壓器的初級線圈引起的。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的電流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈之間的寄生電容，致使一部分能量沒有從初級線圈傳輸?shù)酱渭壘€圈，同時，這種騷擾信號也會通過集電極上的散熱器、次級線圈電路與參考地之間的寄生電容傳遞到LISN。圖2-63是共模傳導(dǎo)騷擾測量的原理圖。

圖2-63的等效電路如圖2-64所示。

2.信號電纜上的傳導(dǎo)騷擾與共模電流

信號電纜上的傳導(dǎo)騷擾產(chǎn)生的原理與輻射發(fā)射產(chǎn)生的原理一樣，只是頻段不同，參見2.7.2節(jié)。

2.7.2 輻射發(fā)射與共模電流分析

1.電源線上的輻射發(fā)射與共模電流

電源線上的輻射產(chǎn)生的原理與電源接口上共模傳導(dǎo)騷擾產(chǎn)生的原理一樣，只是頻段不同，參見2.7.1節(jié)。

2.信號、I/O等電纜的輻射發(fā)射與共模電流

在輻射發(fā)射測試中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：當(dāng)設(shè)備加上I/O線、控制線等電纜以后，產(chǎn)品的輻射發(fā)射值就會變大，即使電纜終端沒有加負(fù)載也是如此。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是電纜變成了天線，它向外輻射著電磁能量，下面對這種輻射的機(jī)理進(jìn)行分析。

共模電流產(chǎn)生的輻射根據(jù)驅(qū)動模式大致可分為三種：電流驅(qū)動模式、電壓驅(qū)動模式、磁耦合驅(qū)動模式。

1）電流驅(qū)動模式

差模電流（通常是電路中的正常工作信號的電流）信號傳送回流產(chǎn)生的壓降驅(qū)動產(chǎn)生的共模電流是電流驅(qū)動模式共模電流輻射的基本驅(qū)動模式。圖2-65是電流驅(qū)動模式輻射原理示意圖。圖2-65（a）中UDM是差模電壓源，設(shè)備內(nèi)部有很多這樣的源，例如各種時鐘信號電路、PWM電路等，ZL為回路負(fù)載，IDM為回路負(fù)載的差模電流，該電流流過AB兩點(diǎn)間的回流地（例如印制板的地線），回到差模源。如AB間存在一定的阻抗Z（如平面不完整、AB間用連接器互連等引起的寄生電感LP），則AB間阻抗Z上產(chǎn)生壓降為：

這里UCM就是產(chǎn)生共模輻射的驅(qū)動源。要產(chǎn)生輻射，除源以外還必須有天線。這里的天線是由圖2-65（a）中B點(diǎn)向右看的地線部分和外接電纜。其組成的輻射系統(tǒng)的等效電路如圖2-65（b）所示，這實(shí)際上是一副不對稱振子天線。流過天線的電流即為共模電流，即

式中 ICM—共模電流；

UCM—共模驅(qū)動電壓；

CA—電纜與參考地之間的寄生電容。

合并式（2.6）和式（2.5）得

由于共模電流ICM是由差模電流IDM產(chǎn)生的，所以這種模式稱電流驅(qū)動模式。

例如，在印制電路板上為了把數(shù)字電路和模擬電路分離，常把地分割成數(shù)字地和模擬地。如果這兩部分之間有信號聯(lián)系，如圖2-66所示，并且數(shù)字地和模擬地的連接部分AB比較細(xì)長，存在一定寄生電感，則差模電流IDM將在AB連接線的電感上產(chǎn)生共模驅(qū)動電壓源，從而引起共模輻射，天線一部分是模擬地，另一部分是外接電纜。

2）電壓驅(qū)動模式

工作差模電壓源（有用電壓信號源）通過寄生電容直接驅(qū)動產(chǎn)生的共模電流是電壓驅(qū)動模式共模電流輻射的基本驅(qū)動模式。圖2-67所示的產(chǎn)品中，差模電壓源UDM和電纜產(chǎn)生寄生回路，回路中的共模電流通過電纜產(chǎn)生共模輻射，共模輻射電流ICM≈CωUDM。圖2-68所示的產(chǎn)品中，差模電壓源UDM和金屬外殼的下部分產(chǎn)生寄生回路，回路中的共模電流通過電纜產(chǎn)生共模輻射，共模輻射電流ICM≈CωUDM，其中，C為PCB板中信號印制線與金屬外殼或電纜之間寄生電容。

圖2-69是電壓驅(qū)動模式的一個實(shí)例。圖中，Q是大功率的開關(guān)管，Q可看成是差模電壓源UDM，共模電流ICM的途徑是通過Q（開關(guān)管）和散熱片之間的分布電容Cd到達(dá)散熱片的，散熱片是共模天線的一個極；然后以空間位移電流的形式，即通過CA到達(dá)外部接線，外部接線是天線的另一個極，共模電流再由印制板地回到Q。

3）磁耦合驅(qū)動模式

工作差模信號（有用信號源）回路產(chǎn)生的磁場與電纜及金屬外殼或印制板地等組成的寄生回路產(chǎn)生磁耦合時產(chǎn)生的共模電流是磁耦合驅(qū)動共模電流輻射的基本驅(qū)動模式。如圖2-70所示是典型磁耦合驅(qū)動模式產(chǎn)生的共模電流輻射原理圖。圖中，差模工作信號在小回路H中流動時，電纜、金屬外殼、印制板地及寄生電容組成的大回路耦合到了小回路中的信號，使電纜中帶有共模電流信號，從而產(chǎn)生共模輻射。

圖2-71是開關(guān)電源中發(fā)生磁耦合共模驅(qū)動模式的原理圖。圖中，由電容、變壓器初級、開關(guān)管組成的環(huán)路1與產(chǎn)品電源線、電源內(nèi)部電路及電源與參考地之間的寄生電容CP形成的共模環(huán)路2之間發(fā)生磁耦合，環(huán)路2中的電源線中感應(yīng)出共模電流，形成共模輻射。

4）屏蔽電纜“豬尾巴”引起的輻射

屏蔽電纜“豬尾巴”（Pigtail）引起的輻射實(shí)際上是一種電流驅(qū)動模式下的共模輻射，屏蔽電纜的“豬尾巴”現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用中非常普遍，為了加強(qiáng)理解，將其單獨(dú)進(jìn)行分析。

在屏蔽電纜的應(yīng)用中，有時為了連接方便，往往只是將屏蔽層的編織網(wǎng)擰成一段，即扭成“豬尾巴”狀的辮子，芯線有很長一段露出屏蔽層（見圖2-72），這時就會產(chǎn)生“豬尾巴效應(yīng)”，它很大程度上降低了屏蔽層的屏蔽效果，同時，這種電纜也不能很好地抑制共模輻射。類似的，當(dāng)電纜屏蔽層與金屬機(jī)箱有360°完整搭接，但沒有保證良好的電連續(xù)性時，也會造成同樣的效果。

屏蔽電纜“豬尾巴”引起的輻射的原理可以通過以下案例分析說明。

【案例現(xiàn)象描述】

某工業(yè)控制產(chǎn)品，其信號輸出接口使用屏蔽電纜，進(jìn)行輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn)輻射雖然在CLASS B限值線下，但是余量不足。未通過的輻射測試頻譜圖如圖2-73所示。

摘去信號輸出電纜后，輻射降低，可以滿足CLASS B要求，并有6dB以上的余量。

【原因分析】

分析測試結(jié)果，輻射較高的頻點(diǎn)集中在150～230MHz之間，又由于該產(chǎn)品的尺寸較小，只有電纜的長度與較高輻射頻點(diǎn)的波長可以比擬。信號接口屏蔽電纜連接方式如圖2-74所示。

由圖2-74可知，該產(chǎn)品使用屏蔽電纜，但是電纜的屏蔽層在接近產(chǎn)品信號接口的地方擰成“豬尾巴”狀，長約8cm。“豬尾巴”是屏蔽電纜設(shè)計與使用時常見的EMC問題，圖2-75可以解釋其產(chǎn)生EMC問題的原理及對產(chǎn)品帶來的影響。由圖2-75可見，“豬尾巴”的存在猶如存在一個共模電壓ΔU。如圖2-75（b）所示，并且ΔU驅(qū)動著與“豬尾巴”直接相連的信號線電纜屏蔽層，從而形成了共模輻射。

要進(jìn)一步解釋“豬尾巴”的原理，可以從轉(zhuǎn)移阻抗（ZT）的概念來解釋。ZT是當(dāng)在屏蔽電纜上注入射頻電流時，中心導(dǎo)體上的電壓與這個電流的比值。對于給定頻率，較低的ZT意味著當(dāng)在屏蔽電纜上注入射頻電流時，中心導(dǎo)體上只會產(chǎn)生較低的電壓，即對外界干擾具有較高屏蔽效果，同樣也說明中心導(dǎo)體上有電壓時，屏蔽電纜上感應(yīng)的電流也會較小，即對中心導(dǎo)體產(chǎn)生的騷擾具有較高的屏蔽效果。如果一屏蔽電纜的ZT在整個頻率段上僅為幾個mΩ，那么這根電纜的屏蔽效果是比較好的。同時，具有較低的轉(zhuǎn)移阻抗的屏蔽電纜也意味著具有較好的屏蔽外接干擾的能力和屏蔽本身輻射發(fā)射的能力。然而“豬尾巴”的存在，相當(dāng)于在屏蔽層上串聯(lián)了一個數(shù)十nH的電感，它能夠在接口的電纜屏蔽層上因為屏蔽層電流的作用而產(chǎn)生一個共模電壓。隨著頻率的增大，如圖2-75（c）所示，“豬尾巴”連接的等效轉(zhuǎn)移阻抗也將迅速增大，這樣會使屏蔽電纜失去屏蔽效果。

【處理措施】

● 將“豬尾巴”縮短為1cm后，測試結(jié)果如圖2-76所示。

【思考與啟示】

屏蔽電纜的屏蔽層一定要進(jìn)行360°搭接，并良好接地。

2.7.3 產(chǎn)生共模輻射的條件

產(chǎn)生共模輻射的條件：

（1）共模驅(qū)動源。

（2）等效“天線”。

大部分情況下，“天線”是產(chǎn)品中的電纜或PCB中的導(dǎo)體，是無法避免的，而驅(qū)動源是任何兩個金屬體之間存在的射頻（RF）電位差，兩個金屬體分別是它的不對稱振子天線的兩個極。射頻電位差即為共模驅(qū)動源，它通過不對稱振子天線向空間輻射電磁能量。

共模驅(qū)動源是可以通過合理的設(shè)計避免或減小的。如果設(shè)計不合理，當(dāng)頻率達(dá)到MHz級時nH級的小電感和pF級的小電容都將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。兩個導(dǎo)體連接處的寄生小電感能產(chǎn)生射頻電位差，如圖2-66中的數(shù)字地和模擬地之間的連接線的小電感。沒有直接連接點(diǎn)的金屬體也可能通過寄生小電容變成“天線”的一部分，如圖2-69中的開關(guān)電源開關(guān)管上的散熱片與開關(guān)管是絕緣的，但可以通過它們之間的小電容在射頻頻率上連接起來，構(gòu)成共模天線的一部分。

等效“天線”的一極可能是設(shè)備的外部電纜，另一極可能是設(shè)備內(nèi)部印制板的地線、電源線、機(jī)殼、散熱片、金屬支撐架等。當(dāng)天線兩個極的總長度大于λ/20后，天線的輻射才有可能產(chǎn)生。當(dāng)天線長度與驅(qū)動源諧波的波長符合式（2.8）時，天線發(fā)生諧振，輻射效率最大。

在確定天線總長度時，源在天線上的位置是天線輻射效率的決定因素。天線在源的同一側(cè)時產(chǎn)生的共模輻射要比天線在兩側(cè)時小得多。