传导式EMI的测量技术

• 射频能量经由电源线传送时对PCB的影响。
• 传导式EMI分为差模和共模两类。
• 传导式EMI的测量方法。
• 传导式EMI的限制。

“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互连介面，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“传导式杂讯”对PCB的影响，以及如何测量“传导式EMI”和FCC、CISPR的EMI限制规定。
差模和共模杂讯
“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产生的杂讯也分成两类：差模杂讯和共模杂讯。简言之，差模杂讯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。而共模杂讯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资料或讯号；而共模讯号（杂讯）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，共模杂讯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杂讯源是透过L和N对偶线，来推（push and pull）电流Idm。因为有DM杂讯源的存在，所以没有电流通过接地线路。杂讯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，但它不是杂讯。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”，而且不是杂讯；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。
返回路径

对杂讯电流而言，真正的返回路径（return path）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，部分的杂讯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。

利用简单的数学公式，就可以将于L和N线路上所测得的电流，区分为CM电流和DM电流。但是为了避免发生代数计算的错误，必须先对电流的“正方向”做一定义。可以假设若电流由右至左流动，就是正方向，反之则为负方向。此外，必须记住的是：一个电流I若在任一线路中往一个方向流动时，这是等同于I往另一个方向流动的（Kirchhoff定律）。

例如：假设在一条线路（L或N）上，测得一个由右至左流动的电流2μA。并在另一条线路上，测得一个由左至右流动的电流5μA。CM电流和DM电流是多少呢？就CM电路而言，假设它的E连接到一个大型的金属接地平面，因此无法测量出流过E的电流值（如果可以测得，那将是简单的Icm）。这和一般离线的（off-line）电源供应器具有3条（有接地线）或2条（没有接地线）电线不同，不过，在后续的例子中，我们将会发现对那些接地不明的设备而言，其实它们具有一些泄漏（返回）路径。

以图一为例，假设第一次测量的线路是L（若选择N为首次测量的线路，底下所计算出来的结果也是一样的）。由此可以导出：
IL = Icm/2 + Idm= 2μA
IN = Icm/2 - Idm= -5μA
求解上面的联立方程式，可以得出：
Icm = -3μA
Idm = 3.5μA
这表示有一个3μA的电流，流过E（这是共模的定义）。而且，有一个3.5μA的电流在L和N线路中来回流动。

再举一个例子：假设测得一个2μA的电流在一条线路中由右至左流动，而且在另一条线路中没有电流存在，此时，CM电流和DM电流为多少？
IL = Icm/2 + Idm= 2μA
IN = Icm/2 - Idm= 0μA
对上面的联立方程式求解，可得出：
Icm = 2μA
Idm = 1μA

这是「非对称模式”的例子。从此结果可以看出，“非对称模式”的一部分可以视为“不对称（CM）模式”，而它的另一部分可视为“对称（DM）模式”。
传导式EMI的测量

为了要测量EMI，我们必须使用一个“阻抗稳定网路（Impedance Stabilization Network；ISN）”。和ISN类似的LISN已被应用到离线的电源供应电路中，其全名是「线路阻抗稳定网路（Line Impedance Stabilization Network；LISN）”或“仿真的主要网路（Artificial Mains Network；AMN）”。如图三所示，那是一个简易的电路图。若产品想要通过“国际射频干扰特别委员会（International Special Committee on Radio Interference；CISPR）”所制定的「CISPR 22限制（limits）”规定，就必须采用符合CISPR 16规范所定义的LISN；CISPR 16是CISPR 22所参考的标准。

图三：一个CISPR LISN的简易电路图

使用LISN的目的是多重的。它是一个“干净的”交流电源，将电能供应给电源供应器。接收机或频谱分析仪可以利用它来读出测量值。它提供一个稳定的均衡阻抗，即使杂讯是来自于电源供应器。最重要的是，它允许测量工作可以在任何地点重覆进行。对杂讯源而言，LISN就是它的负载。

假设在此LISN电路中，L和C的值是这样决定的:电感L小到不会降低交流的电源电流（50/60Hz）；但在期望的频率范围内（150 kHz to 30 MHz），它大到可以被视为“开路（open）”。电容C小到可以阻隔交流的电源电压；但在期望的频率范围内，它大到变成“短路（short）”。上面的叙述（几乎）是为真的。在图三中，主要的简化部分是，缆线或接收机的输入阻抗已经被包含进去了。将一条典型的同轴缆线连接到一台测量仪器（分析仪或接收机或示波器…等）时，对一个高频讯号而言，此缆线的输入阻抗是50欧姆（因为传输线效应）。所以，当接收机正在测量这个讯号时，假设在L和E之间，LISN使用一个“继电/切换（relay/switch）电路”，将实际的50欧姆电阻移往相反的配对线路上，也就是在N和E之间。如此就能使所有的线路在任何时候都能保持均衡，不管是测量VL或VN。

选择50欧姆是为了要模拟高频讯号的输入阻抗，因为高频讯号所使用的主要导线之阻抗值近似于50欧姆。此外，它可以让一般的测量工作，在任何地点、任何时间重覆地进行。值得注意的是，电信设备的通讯埠是使用“阻抗稳定网路”，它是使用150欧姆，而不是50欧姆；这是因为一般的「资料线路（data line）”之输入阻抗值近似于150欧姆。
　
为了了解VL和VN，请参考图四。共模电压是25Ω乘以流向E的电流值（或者是50Ω乘以Icm/2）。差模电压是100Ω乘以差模电流。因此，LISN提供下列的负载阻抗给杂讯源（没有任何的输入滤波器存在）：
CM负载阻抗是25Ω，DM负载阻抗是100Ω。

当LISN切换时，可以由下式得出杂讯电压值：

VL=25ХIcm+50ХIdm 或 VN=25ХIcm - 50ХIdm

这是否意味着只要在L-E和N-E上做测量，就可以知道CM和DM杂讯的相对比例大小？

其实，许多人常有这样的错误观念：“如果来自于电源供应器的杂讯大部分是属于DM的，则VL和VN的大小将会相等。如果杂讯是属于CM的，则VL和VN的大小也会相等。但是，如果CM和DM的辐射大小几乎相等时，则VL和VN的测量值将不会相同。”
如果这样的观念正确的话，那就表示即使在一个离线的电源供应器中，L和N线路是对称的，但L和N线路上的辐射量还是不相等的。在某一个特殊的时间点，两线路上的个别杂讯大小可能会不相等，但实际上，射频能量是以交流的电源频率，在两条线路之间「跳跃”着，如同工作电流一样。所以，任何侦测器测量此两条线路时，只要测量的时间超过数个电压周期，VL和VN的测量值差异将不会很大的。不过，极小的差异可能会存在，这是因为有各种不同的“不对称性”存在。当然，VL和VN的测量结果必须符合EMI的限制规定。

使用LISN后，就不需要分别测量CM和DM杂讯值，它们是利用上述的代数公式求得的。但有时还是需要各别测量CM和DM杂讯值，譬如：为了排除故障或诊断错误。幸好有一些聪明的方法可以达到各别测量的目的。我们举两个例子：
有一种装置称作“LISN MATE”，不过，目前已经很少被使用了。它会衰减DM杂讯约50dB，但不会大幅衰减CM杂讯（约仅衰减4dB）。它的电路如图五所示。

图六是一种以变压器为基础的装置，它是利用共模电压无法使变压器工作的原理；因为本质上需要差动的一次测电压，才能使变压器线圈内的磁通量“摆动（swing）”。它不像LISN MATE，此时CM和DM杂讯是一起输出。不过，上述的两种方法都需要修改LISN电路。因为一般的LISN只提供VL或VN，无法同时提供这两者。最好是购买CM和DM杂讯有分离输出的LISN。此外，也应该要有总和检视的功能，以确定是否有遵守技术规范的限制。


　

传导式EMI的限制

对EMI而言，滤波器是做何用途呢？表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制规定。此表中比较特殊的是，除了可用dBμV计量以外，也可以用mV来计量。这对那些讨厌使用对数（logarithm）计算的设计者而言很便利。

在对数的定义里：db=20log10[V1/V2] ，V1/V2是输出入电压的比值。所以，dBμV表示是以IμV为对数的比较基准。下式是mV转换成dBμV的公式：

(dBμV)=20Хlog[mV/10-6]

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

而dBμV转换成mV的公式如下：

(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3

表一：传导式EMI的限制
　
必须注意的是，FCC并没有规定平均的限制值，只规定了“准峰值（quasi-peak）”。虽然，FCC有认可CISPR 22的限制值。但是，FCC不允许两者混用或并用。设计者必须择一而从。不过，以目前的情况来看，FCC Part 15势必会逐渐和CISPR 22完全一致的。

表二是dBμV与mV的快速转换对查表，我们可以利用上述的公式来转换dBμV、mV；或利用表二查得。
 
表二：dBμV与mV的对查表
再观察一下表一中的类别B，尤其是150 kHz至450 kHz，和450 kHz至500 kHz的区域。实际上，对CISPR而言，这是一个连续的区域，因为dBμV对log(f)的限制线在150 kHz到500 kHz的区域内是一条直线。在150 kHz至500 kHz之间，CISPR均限曲线（传导式EMI）的任一点之dBμV值可由下式求出：

(dBμVAVG)= -19.07Хlog(?MHZ)+40.28

为了方便计算和记忆，上式可以改写成：

(dBμVAVG)= -20Хlog(?MHZ)+40

在这个区域内的「准峰值限制”正好比“平均限制”高10dB。所以，在150 kHz至500 kHz之间，CISPR准峰值限制曲线（传导式EMI）的任一点之dBμV值可由下式求出：

(dBμVQP)= -19.07Хlog(?MHZ)+50.28

同样的，上式也可以改写成：

(dBμVQP)= -20Хlog(?MHZ)+50
CISPR 22类别B在150 kHz至500 kHz之间的限制值，实际上是上述的化约式。 就数学定义而言，AХlog(?MHZ)+c是一条直线（如果水平轴具有对数刻度），其斜率为A，当频率（f）为1MHz时，它通过c点。就CISPR 22类别B而言，虽然它的dBμV直线在500 kHz处被截断，但是它的渐近线（asymptote）仍会通过40或50dBμV，这分别是「均限曲线”和「准峰值限制曲线”的c点（亦即，频率为1MHz时的dBμV值）。

例如：当频率为300 kHz时，CISPR 22类别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

因为准峰值限制比均限值多10 dB，所以它是60.25 dBμV。

比较表一中的准峰值限制，是否意味着当超过450 kHz时，FCC标准会比CISPR 22严格？首先，FCC标准是以美国国内的电源电压为测量基准；而CISPR则是使用更高的电源电压来测量。所以这是「淮橘成枳”的问题，不能相提并论。此外FCC虽然没有定义均限值，但是当CISPR 22的准峰值限制和均限值之差超过6 dB以上时，它放宽了限制（约13 dB）。因此，在实务上，符合CISPR标准的产品也会符合FCC的标准。

有人说：“频率大约在5 MHz以下时，杂讯电流倾向于以差模为主；但在5 MHz以上时，杂讯电流倾向于以共模为主。”不过这种说法缺乏根据。当频率超过20 MHz时，主要的传导式杂讯可能是来自于电感的感应，尤其是来自于输出缆线的辐射。本质上这是共模。但对一个交换式转换器而言，这并不是共模杂讯的主要来源。如表一所示，标准的传导式EMI限制之频率测量范围是从150 kHz至30 MHz。为何频率范围不再向上增加呢？这是因为到达30 MHz以后，任何传导式杂讯将会被主要的导线大幅地衰减，而且传输距离会变短。但缆线当然还会继续辐射，因此“辐射限制”的范围实际上是从30MHz到1GHz。

结语
来自电源电路的EMI是很难察觉的。因为工程师都习惯将电源供应器想像成一个“干净的”电源，殊不知，越是习以为常的元件，越可能是会发射EMI的“黑盒子”。