傳導(dǎo)式EMI的測量技術(shù)解析

　　傳導(dǎo)發(fā)射（conducted Emission）是指部分的電磁（射頻）能量透過外部纜線（cable）、電源線形成傳導(dǎo)波發(fā)射出去。本文介紹經(jīng)由電源線的傳導(dǎo)發(fā)射。 差模和共模噪聲 「傳導(dǎo)式EMI」可以分成兩類：差模（Differential mode；DM）和共模（Common mode；CM）。差模也稱作「對(duì)稱模式（symmetric mode）」或「正常模式（normal mode）」；而共模也稱作「不對(duì)稱模式（asymmetric mode）」或「接地泄漏模式（ground leakage mode）」。

　　由EMI產(chǎn)生的噪聲也分成兩類：差模噪聲和共模噪聲。簡而言之，差模噪聲是當(dāng)兩條電源供應(yīng)線路的電流方向互為相反時(shí)發(fā)生的，如圖1（a）所示。而共模噪聲是當(dāng)所有的電源供應(yīng)線路的電流方向相同時(shí)發(fā)生的，如圖1（b）所示。一般而言，差模訊號(hào)通常是我們所要的，因?yàn)樗艹休d有用的數(shù)據(jù)或訊號(hào)；而共模訊號(hào)（噪聲）是我們不要的副作用或是差模電路的‘副產(chǎn)品’，它正是EMC的最大難題。

　　從圖一中，可以清楚發(fā)現(xiàn)，共模噪聲的發(fā)生大多數(shù)是因?yàn)殡s散電容（stray capacitor）的不當(dāng)接地所造成的。這也是為何共模也稱作‘接地泄漏模式’的原因。

　　在圖二中，DM噪聲源是透過L和N對(duì)偶線，來推挽（push and pull）電流Idm。因?yàn)橛蠨M噪聲源的存在，所以沒有電流通過接地線路。噪聲的電流方向是根據(jù)交流電的周期而變化的。

　　電源供應(yīng)電路所提供的基本的交流工作電流，在本質(zhì)上也是差模的。因?yàn)樗鬟M(jìn)L或N線路，并透過L或N線路離開。不過，在圖二中的差模電流并沒有包含這個(gè)電流。這是因?yàn)楣ぷ麟娏麟m然是差模的，但它不是噪聲。另一方面，對(duì)一個(gè)電流源（訊號(hào)源）而言，若它的基本頻率是電源頻率（line frequency）的兩倍----100或120Hz，它實(shí)質(zhì)上仍是屬于直流的，而且不是噪聲；即使它的諧波頻率，超過了標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)式EMI之限制范圍（150 kHz to 30 MHz）。然而，必須注意的是，工作電流仍然保留有直流偏壓的能量，此偏壓是提供給濾波抗流線圈（filter choke）使用，因此這會(huì)嚴(yán)重影響EMI濾波器的效能。這時(shí)，當(dāng)使用外部的電流探針來量測數(shù)據(jù)時(shí)，很可能因此造成測量誤差。

　　CM噪聲源有接地，而且L和N線路具有相同的阻抗Z。因此，它驅(qū)動(dòng)相同大小的電路通過L和N線路。不過，這是假設(shè)兩者的阻抗大小相等?？梢郧宄赜^察出，假使雙方的阻抗不均衡（unbalanced），‘不對(duì)稱’的共模電流將分布在L和N線路上。這似乎是用詞不當(dāng)或與原定義不符，因?yàn)镃M本來又稱作 ‘不對(duì)稱模式’。為了避免混淆，此時(shí)的模式應(yīng)該稱作‘非對(duì)稱（nonsymmetric）模式’，好和‘不對(duì)稱模式’做區(qū)分。在大多數(shù)的電源供應(yīng)電路中，在這個(gè)模式下所發(fā)出的EMI是最多的。

　　利用不等值的負(fù)載或線路阻抗，就能夠有效地將CM電流轉(zhuǎn)換成一部分是CM電流，另一部分是DM電流。例如：一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器（converter）供應(yīng)電源給一個(gè)次系統(tǒng)，此次系統(tǒng)具有不等值（不均衡）的阻抗。而且在DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端存在著尚未被察覺的共模噪聲，它變成一個(gè)非常真實(shí)的（差動(dòng)）輸入電壓漣波，并施加給次系統(tǒng)。沒有次系統(tǒng)內(nèi)建的「共模拒斥率（common mode rejection ratio；CMRR）」可以參考，因?yàn)榇嗽肼暡煌耆枪材５?。到最后，此次系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。所以，在產(chǎn)生共模電流時(shí)，就要馬上降低它的大小，這是非常重要的，是首要工作。使阻抗均衡則是次要工作。此外，由于共模和差模的特性，共模電流的頻率會(huì)比差模的頻率大。因此，共模電流會(huì)產(chǎn)生很大的射頻輻射。而且，會(huì)和鄰近的組件和電路發(fā)生電感性與電容性的耦合。通常，一個(gè)5uA的共模電流在一個(gè)1m長的導(dǎo)線中，所產(chǎn)生的射頻輻射量會(huì)超過FCC所規(guī)范的B類限定值。FCC的A類規(guī)范限制共模電流最多只能有15uA。此外，最短的交流電源線，依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是1m，所以電源線的長度不能比1m短。

　　在一個(gè)真實(shí)的電源供應(yīng)電路里，差模噪聲噪聲源很像是一個(gè)電壓源。而共模噪聲源的行為卻比較像是一個(gè)電流源，這使得共模噪聲更難被消除。它和所有的電流源一樣，需要有一個(gè)流動(dòng)路徑存在。因?yàn)樗穆窂桨鈿ぃ╟hassis），所以外殼可能會(huì)變成一個(gè)大型的高頻天線。 返回路徑 對(duì)噪聲電流而言，真正的返回路徑是什么呢？ 實(shí)體的電氣路徑之間的距離，最好是越大越好。因?yàn)槿绻麤]有EMI濾波器存在的話，部分的噪聲電流將會(huì)透過散布于各地的各種寄生性電容返回。其余部分將透過無線的方式返回，這就是輻射；由此產(chǎn)生的電磁場會(huì)影響相鄰的導(dǎo)體，在這些導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生極小的電流。最后，這些極小的返回電流在電源供應(yīng)輸入端的總和會(huì)一直維持零值，因此不會(huì)違反【Kirchhoff定律】——在一封閉電路中，過一節(jié)點(diǎn)的電流量之代數(shù)和為零。

　　利用簡單的數(shù)學(xué)公式，就可以將于L和N線路上所測得的電流，區(qū)分為CM電流和DM電流。但是為了避免發(fā)生代數(shù)計(jì)算的錯(cuò)誤，必須先對(duì)電流的「正方向」做一定義?？梢约僭O(shè)若電流由右至左流動(dòng)，就是正方向，反之則為負(fù)方向。此外，必須記住的是：一個(gè)電流I若在任一線路中往一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)，這是等同于I往另一個(gè)方向流動(dòng)的（Kirchhoff定律）。

　　例如：假設(shè)在一條線路（L或N）上，測得一個(gè)由右至左流動(dòng)的電流2μA。并在另一條線路上，測得一個(gè)由左至右流動(dòng)的電流5μA。CM電流和DM電流是多少呢？就CM電路而言，假設(shè)它的E連接到一個(gè)大型的金屬接地平面，因此無法測量出流過E的電流值（如果可以測得，那將是簡單的Icm）。這和一般離線的（off-line）電源供應(yīng)器具有3條（有接地線）或2條（沒有接地線）電線不同，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)那些接地不明的設(shè)備而言，其實(shí)它們具有一些泄漏（返回）路徑。

　　以圖一為例，假設(shè)第一次測量的線路是L（若選擇N為首次測量的線路，底下所計(jì)算出來的結(jié)果也是一樣的）。由此可以導(dǎo)出：

　　IL = Icm/2 + Idm= 2μA

　　IN = Icm/2 - Idm= -5μA

　　求解上面的聯(lián)立方程式，可以得出：

　　Icm = -3μA

　　Idm = 3.5μA

　　這表示有一個(gè)3μA的電流，流過E（這是共模的定義）。而且，有一個(gè)3.5μA的電流在L和N線路中來回流動(dòng)。

　　再舉一個(gè)例子：假設(shè)測得一個(gè)2μA的電流在一條線路中由右至左流動(dòng)，而且在另一條線路中沒有電流存在，此時(shí)，CM電流和DM電流為多少？

　　IL = Icm/2 + Idm= 2μA

　　IN = Icm/2 - Idm= 0μA

　　對(duì)上面的聯(lián)立方程式求解，可得出：

　　Icm = 2μA

　　Idm = 1μA

　　這是「非對(duì)稱模式」的例子。從此結(jié)果可以看出，「非對(duì)稱模式」的一部分可以視為「不對(duì)稱（CM）模式」，而它的另一部分可視為「對(duì)稱（DM）模式」。

　　傳導(dǎo)式EMI的測量

　　為了要測量CE，我們必須使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（Line Impedance Stabilization Network；LISN）。如圖三所示一個(gè)簡易的LISN電路圖。

　　使用LISN的目的是多重的。它是一個(gè)「干凈的」交流電源，將電能供應(yīng)給電源供應(yīng)器。接收機(jī)或頻譜分析儀可以利用它來讀出測量值。它提供一個(gè)穩(wěn)定的均衡阻抗，即使噪聲是來自于電源供應(yīng)器。最重要的是，它允許測量工作可以在任何地點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行。對(duì)噪聲源而言，LISN就是它的負(fù)載。假設(shè)在此LISN電路中，L 和C的值是這樣決定的： 電感L小到不會(huì)降低交流的電源電流（50/60Hz）；但在期望的頻率范圍內(nèi)（150 kHz to 30MHz），它大到可以被視為「開路（open）」。電容C小到可以阻隔交流的電源電壓；但在期望的頻率范圍內(nèi)，它大到變成「短路（short）」。

　　在圖三中，主要的簡化部分是，纜線或接收機(jī)的輸入阻抗已經(jīng)被包含進(jìn)去了。測量傳導(dǎo)時(shí)，將一條典型的同軸纜線連接到一臺(tái)測量儀器（分析儀或接收機(jī)或示波器…等）時(shí)，對(duì)一個(gè)高頻訊號(hào)而言，此纜線的輸入阻抗是50歐姆（因?yàn)閭鬏斁€效應(yīng)）。所以，當(dāng)接收機(jī)正在測量這個(gè)訊號(hào)時(shí)，假設(shè)在L和E之間，LISN使用一個(gè)「繼電/切換（relay/switch）電路」，將實(shí)際的50歐姆電阻移往相反的配對(duì)線路上，也就是在N和E之間。如此就能使所有的線路在任何時(shí)候都能保持均衡，不管是測量VL或VN。

　　選擇50歐姆是為了要仿真高頻訊號(hào)的輸入阻抗，因?yàn)楦哳l訊號(hào)所使用的主要導(dǎo)線之阻抗值近似于50歐姆。此外，它可以讓一般的測量工作，在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間重復(fù)地進(jìn)行。值得注意的是，電信設(shè)備的通訊端口是使用「阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)」，它是使用150歐姆，而不是50歐姆；這是因?yàn)橐话愕摹笖?shù)據(jù)線路（data line）」之輸入阻抗值近似于150歐姆。

　　為了了解VL和VN，請(qǐng)參考圖四。共模電壓是25Ω乘以流向E的電流值（或者是50Ω乘以Icm/2）。差模電壓是100Ω乘以差模電流。因此，LISN提供下列的負(fù)載阻抗給噪聲源（沒有任何的輸入濾波器存在）：

　　CM負(fù)載阻抗是25Ω，DM負(fù)載阻抗是100Ω。

　　當(dāng)LISN切換時(shí)，可以由下式得出噪聲電壓值：

　　VL=25*Icm+50*Idm 或 VN=25*Icm – 50*Idm

　　這是否意味著只要在L-E和N-E上做測量，就可以知道CM和DM噪聲的相對(duì)比例大??？

　　其實(shí)，許多人常有這樣的錯(cuò)誤觀念：「如果來自于電源供應(yīng)器的噪聲大部分是屬于DM的，則VL和VN的大小將會(huì)相等。如果噪聲是屬于CM的，則VL和VN的大小也會(huì)相等。但是，如果CM和DM的輻射大小幾乎相等時(shí)，則VL和VN的測量值將不會(huì)相同。

　　如果這樣的觀念正確的話，那就表示即使在一個(gè)離線的電源供應(yīng)器中，L和N線路是對(duì)稱的，但L和N線路上的輻射量還是不相等的。在某一個(gè)特殊的時(shí)間點(diǎn)，兩線路上的個(gè)別噪聲大小可能會(huì)不相等，但實(shí)際上，射頻能量是以交流的電源頻率，在兩條線路之間「跳躍」著，如同工作電流一樣。所以，任何偵測器測量此兩條線路時(shí)，只要測量的時(shí)間超過數(shù)個(gè)電壓周期，VL和VN的測量值差異將不會(huì)很大的。不過，極小的差異可能會(huì)存在，這是因?yàn)橛懈鞣N不同的「不對(duì)稱性」存在。當(dāng)然，VL和VN的測量結(jié)果必須符合EMI的限制規(guī)定。

　　使用LISN后，就不需要分別測量CM和DM噪聲值，它們是利用上述的代數(shù)公式求得的。

　　有人說：「頻率大約在5 MHz以下時(shí)，噪聲電流傾向于以差模為主；但在5 MHz以上時(shí)，噪聲電流傾向于以共模為主?！共贿^這種說法缺乏根據(jù)。當(dāng)頻率超過20 MHz時(shí)，主要的傳導(dǎo)式噪聲可能是來自于電感的感應(yīng)，尤其是來自于輸出纜線的輻射。本質(zhì)上這是共模。但對(duì)一個(gè)交換式轉(zhuǎn)換器而言，這并不是共模噪聲的主要來源。如表一所示，標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)式EMI限制之頻率測量范圍是從150 kHz至30 MHz。為何頻率范圍不再向上增加呢？這是因?yàn)榈竭_(dá)30 MHz以后，任何傳導(dǎo)式噪聲將會(huì)被主要的導(dǎo)線大幅地衰減，而且傳輸距離會(huì)變短。但纜線當(dāng)然還會(huì)繼續(xù)輻射，因此「輻射限制」的范圍實(shí)際上是從30MHz到 1GHz。

　　結(jié)語

　　工程師都習(xí)慣將電源供應(yīng)器想象成一個(gè)「干凈的」電源，其實(shí)來自電源電路的傳導(dǎo)發(fā)射是很復(fù)雜的。