中心論題：

• 射頻能量經(jīng)由電源線傳送時(shí)對(duì)PCB的影響。
• 傳導(dǎo)式EMI分為差模和共模兩類。
• 傳導(dǎo)式EMI的測量方法。
• 傳導(dǎo)式EMI的限制。

• 用數(shù)學(xué)方法分離L和N線路上所測得的電流。
• LISN應(yīng)用到離線的電源供應(yīng)電路中測量EMI。
• 選擇50歐姆電阻模擬高頻訊號(hào)的輸入阻抗。

“傳導(dǎo)式”（conducted）EMI是指部分的電磁（射頻）能量透過外部纜線（cable）、電源線、I/O互連介面，形成“傳導(dǎo)波”（propagation wave）被傳送出去。本文將說明射頻能量經(jīng)由電源線傳送時(shí)，所產(chǎn)生的“傳導(dǎo)式雜訊”對(duì)PCB的影響，以及如何測量“傳導(dǎo)式EMI”和FCC、CISPR的EMI限制規(guī)定。

差模和共模雜訊
“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)生的雜訊也分成兩類：差模雜訊和共模雜訊。簡言之，差模雜訊是當(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。而共模雜訊是當(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有用的資料或訊號(hào)；而共模訊號(hào)（雜訊）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)，共模雜訊的發(fā)生大多數(shù)是因?yàn)?ldquo;雜散電容（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，L是“有作用（Live）”或“相位（Phase）”的意思，N是“中性（Neutral）”的意思，E是“安全接地或接地線（Earth wire）”的意思；EUT是“測試中的設(shè)備（Equipment Under Test）”之意思。在E下方，有一個(gè)接地符號(hào)，它是采用“國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission；IEC）”所定義的“有保護(hù)的接地（Protective Earth）”之符號(hào)（在接地線的四周有一個(gè)圓形），而且有時(shí)會(huì)以“PE”來注明。DM雜訊源是透過L和N對(duì)偶線，來推（push and pull）電流Idm。因?yàn)橛蠨M雜訊源的存在，所以沒有電流通過接地線路。雜訊的電流方向是根據(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?/span>電流雖然是差模的，但它不是雜訊。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”，而且不是雜訊；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。

返回路徑

為了要測量EMI，我們必須使用一個(gè)“阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路（Impedance Stabilization Network；ISN）”。和ISN類似的LISN已被應(yīng)用到離線的電源供應(yīng)電路中，其全名是「線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路（Line Impedance Stabilization Network；LISN）”或“仿真的主要網(wǎng)路（Artificial Mains Network；AMN）”。如圖三所示，那是一個(gè)簡易的電路圖。若產(chǎn)品想要通過“國際射頻干擾特別委員會(huì)（International Special Committee on Radio Interference；CISPR）”所制定的「CISPR 22限制（limits）”規(guī)定，就必須采用符合CISPR 16規(guī)范所定義的LISN；CISPR 16是CISPR 22所參考的標(biāo)準(zhǔn)。

圖三：一個(gè)CISPR LISN的簡易電路圖

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，即使雜訊是來自于電源供應(yīng)器。最重要的是，它允許測量工作可以在任何地點(diǎn)重覆進(jìn)行。對(duì)雜訊源而言，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 30 MHz），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）”。上面的敘述（幾乎）是為真的。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。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歐姆是為了要模擬高頻訊號(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)間重覆地進(jìn)行。值得注意的是，電信設(shè)備的通訊埠是使用“阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路”，它是使用150歐姆，而不是50歐姆；這是因?yàn)橐话愕摹纲Y料線路（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)載阻抗給雜訊源（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)，可以由下式得出雜訊電壓值：

VL=25ХIcm+50ХIdm 或 VN=25ХIcm - 50ХIdm

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雜訊的相對(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)器的雜訊大部分是屬于DM的，則VL和VN的大小將會(huì)相等。如果雜訊是屬于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)別雜訊大小可能會(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雜訊值，它們是利用上述的代數(shù)公式求得的。但有時(shí)還是需要各別測量CM和DM雜訊值，譬如：為了排除故障或診斷錯(cuò)誤。幸好有一些聰明的方法可以達(dá)到各別測量的目的。我們舉兩個(gè)例子：
有一種裝置稱作“LISN MATE”，不過，目前已經(jīng)很少被使用了。它會(huì)衰減DM雜訊約50dB，但不會(huì)大幅衰減CM雜訊（約僅衰減4dB）。它的電路如圖五所示。

圖六是一種以變壓器為基礎(chǔ)的裝置，它是利用共模電壓無法使變壓器工作的原理；因?yàn)楸举|(zhì)上需要差動(dòng)的一次測電壓，才能使變壓器線圈內(nèi)的磁通量“擺動(dòng)（swing）”。它不像LISN MATE，此時(shí)CM和DM雜訊是一起輸出。不過，上述的兩種方法都需要修改LISN電路。因?yàn)橐话愕腖ISN只提供VL或VN，無法同時(shí)提供這兩者。最好是購買CM和DM雜訊有分離輸出的LISN。此外，也應(yīng)該要有總和檢視的功能，以確定是否有遵守技術(shù)規(guī)范的限制。


　

傳導(dǎo)式EMI的限制

對(duì)EMI而言，濾波器是做何用途呢？表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制規(guī)定。此表中比較特殊的是，除了可用dBμV計(jì)量以外，也可以用mV來計(jì)量。這對(duì)那些討厭使用對(duì)數(shù)（logarithm）計(jì)算的設(shè)計(jì)者而言很便利。

在對(duì)數(shù)的定義里：db=20log10[V1/V2] ，V1/V2是輸出入電壓的比值。所以，dBμV表示是以IμV為對(duì)數(shù)的比較基準(zhǔn)。下式是mV轉(zhuǎn)換成dBμV的公式：

(dBμV)=20Хlog[mV/10-6]

譬如：0.25mV可以透過公式，得出：20log10[0.25Х1,000/1] ≌48 dBμV。

而dBμV轉(zhuǎn)換成mV的公式如下：

(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3

表一：傳導(dǎo)式EMI的限制
　
必須注意的是，F(xiàn)CC并沒有規(guī)定平均的限制值，只規(guī)定了“準(zhǔn)峰值（quasi-peak）”。雖然，F(xiàn)CC有認(rèn)可CISPR 22的限制值。但是，F(xiàn)CC不允許兩者混用或并用。設(shè)計(jì)者必須擇一而從。不過，以目前的情況來看，F(xiàn)CC Part 15勢必會(huì)逐漸和CISPR 22完全一致的。

表二是dBμV與mV的快速轉(zhuǎn)換對(duì)查表，我們可以利用上述的公式來轉(zhuǎn)換dBμV、mV；或利用表二查得。
 
表二：dBμV與mV的對(duì)查表
再觀察一下表一中的類別B，尤其是150 kHz至450 kHz，和450 kHz至500 kHz的區(qū)域。實(shí)際上，對(duì)CISPR而言，這是一個(gè)連續(xù)的區(qū)域，因?yàn)閐BμV對(duì)log(f)的限制線在150 kHz到500 kHz的區(qū)域內(nèi)是一條直線。在150 kHz至500 kHz之間，CISPR均限曲線（傳導(dǎo)式EMI）的任一點(diǎn)之dBμV值可由下式求出：

(dBμVAVG)= -19.07Хlog(?MHZ)+40.28

為了方便計(jì)算和記憶，上式可以改寫成：

(dBμVAVG)= -20Хlog(?MHZ)+40

在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的「準(zhǔn)峰值限制”正好比“平均限制”高10dB。所以，在150 kHz至500 kHz之間，CISPR準(zhǔn)峰值限制曲線（傳導(dǎo)式EMI）的任一點(diǎn)之dBμV值可由下式求出：

(dBμVQP)= -19.07Хlog(?MHZ)+50.28

同樣的，上式也可以改寫成：

(dBμVQP)= -20Хlog(?MHZ)+50
CISPR 22類別B在150 kHz至500 kHz之間的限制值，實(shí)際上是上述的化約式。 就數(shù)學(xué)定義而言，AХlog(?MHZ)+c是一條直線（如果水平軸具有對(duì)數(shù)刻度），其斜率為A，當(dāng)頻率（f）為1MHz時(shí)，它通過c點(diǎn)。就CISPR 22類別B而言，雖然它的dBμV直線在500 kHz處被截?cái)啵撬臐u近線（asymptote）仍會(huì)通過40或50dBμV，這分別是「均限曲線”和「準(zhǔn)峰值限制曲線”的c點(diǎn)（亦即，頻率為1MHz時(shí)的dBμV值）。

例如：當(dāng)頻率為300 kHz時(shí)，CISPR 22類別B的EMI限制值是多少呢？利用上述的公式，均限值等于：
-19.07Хlog(0.3)+40.28=50.25dBμV

因?yàn)闇?zhǔn)峰值限制比均限值多10 dB，所以它是60.25 dBμV。

比較表一中的準(zhǔn)峰值限制，是否意味著當(dāng)超過450 kHz時(shí)，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比CISPR 22嚴(yán)格？首先，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)是以美國國內(nèi)的電源電壓為測量基準(zhǔn)；而CISPR則是使用更高的電源電壓來測量。所以這是「淮橘成枳”的問題，不能相提并論。此外FCC雖然沒有定義均限值，但是當(dāng)CISPR 22的準(zhǔn)峰值限制和均限值之差超過6 dB以上時(shí)，它放寬了限制（約13 dB）。因此，在實(shí)務(wù)上，符合CISPR標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品也會(huì)符合FCC的標(biāo)準(zhǔn)。

有人說：“頻率大約在5 MHz以下時(shí)，雜訊電流傾向于以差模為主；但在5 MHz以上時(shí)，雜訊電流傾向于以共模為主。”不過這種說法缺乏根據(jù)。當(dāng)頻率超過20 MHz時(shí)，主要的傳導(dǎo)式雜訊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，這并不是共模雜訊的主要來源。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)式雜訊將會(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。