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传导式EMI的测量技术解析

传导式EMI的测量技术解析

传导发射(conducted Emission)是指部分的电磁(射频)能量透过外部缆线(cable)、电源线形成传导波发射出去。本文介绍经由电源线的传导发射。 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。简而言之,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,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。

  


  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,是首要工作。使阻抗均衡则是次要工作。此外,由于共模和差模的特性,共模电流的频率会比差模的频率大。因此,共模电流会产生很大的射频辐射。而且,会和邻近的组件和电路发生电感性与电容性的耦合。通常,一个5uA的共模电流在一个1m长的导线中,所产生的射频辐射量会超过FCC所规范的B类限定值。FCC的A类规范限制共模电流最多只能有15uA。此外,最短的交流电源线,依照标准规定是1m,所以电源线的长度不能比1m短。
  在一个真实的电源供应电路里,差模噪声噪声源很像是一个电压源。而共模噪声源的行为却比较像是一个电流源,这使得共模噪声更难被消除。它和所有的电流源一样,需要有一个流动路径存在。因为它的路径包含外壳(chassis),所以外壳可能会变成一个大型的高频天线。 返回路径 对噪声电流而言,真正的返回路径是什么呢? 实体的电气路径之间的距离,最好是越大越好。因为如果没有EMI滤波器存在的话,部分的噪声电流将会透过散布于各地的各种寄生性电容返回。其余部分将透过无线的方式返回,这就是辐射;由此产生的电磁场会影响相邻的导体,在这些导体内产生极小的电流。最后,这些极小的返回电流在电源供应输入端的总和会一直维持零值,因此不会违反【Kirchhoff定律】——在一封闭电路中,过一节点的电流量之代数和为零。
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