2.7 EMI共模電流的產生機理

EMI共模電流產生的EMC問題也稱為共模騷擾，現有標準所考慮的EMI共模電流頻率主要集中在150kHz～1GHz之間（頻率1GHz以上的要求已在現有的EMC標準中體現），其中150kHz～30MHz頻率范圍內對應的測試項目是傳導騷擾測試，包括信號線的傳導騷擾測試和電源線的傳導騷擾測試，其中信號線上傳導騷擾最主要的測試工具是電流探頭。圖2-60為信號線傳導騷擾測試配置圖。可見，信號線上在頻率150kHz～30MHz之間的傳導騷擾測量的實質就是評估信號線上的共模電流大小。

電源線的傳導騷擾包含差模部分和共模部分。圖2-61為LISN內部原理圖。

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

30MHz～1GHz頻段范圍內對應的測試項目是輻射發射測試。產品的輻射發射通常有兩種情況：一種是設備內部工作電路形成的環路產生的輻射，其輻射形成的主要原因是差模電流；一種是設備的連接線、電纜，較長的PCB中的導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品引起EMI輻射的主要原因，本章將主要討論產生這些共模電流的原因。

2.7.1 傳導騷擾與共模電流分析

1.電源接口上的傳導騷擾與共模電流

對開關電源來說，開關電路產生的電磁騷擾是開關電源的主要騷擾源之一。開關電路是開關電源的核心，主要由開關管、高頻變壓器、儲能電容等元器件組成。它產生的du/dt具有較大的幅度，頻帶較寬且諧波豐富。開關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由載流導體與參考地之間的電位差產生的，是開關電源的主要騷擾。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。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的電流，并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓；在開關管斷開瞬間，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到次級線圈，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.信號電纜上的傳導騷擾與共模電流

信號電纜上的傳導騷擾產生的原理與輻射發射產生的原理一樣，只是頻段不同，參見2.7.2節。

2.7.2 輻射發射與共模電流分析

1.電源線上的輻射發射與共模電流

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

2.信號、I/O等電纜的輻射發射與共模電流

在輻射發射測試中，經常會發現一種現象：當設備加上I/O線、控制線等電纜以后，產品的輻射發射值就會變大，即使電纜終端沒有加負載也是如此。產生這種現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理進行分析。

共模電流產生的輻射根據驅動模式大致可分為三種：電流驅動模式、電壓驅動模式、磁耦合驅動模式。

1）電流驅動模式

差模電流（通常是電路中的正常工作信號的電流）信號傳送回流產生的壓降驅動產生的共模電流是電流驅動模式共模電流輻射的基本驅動模式。圖2-65是電流驅動模式輻射原理示意圖。圖2-65（a）中UDM是差模電壓源，設備內部有很多這樣的源，例如各種時鐘信號電路、PWM電路等，ZL為回路負載，IDM為回路負載的差模電流，該電流流過AB兩點間的回流地（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上產生壓降為：

這里UCM就是產生共模輻射的驅動源。要產生輻射，除源以外還必須有天線。這里的天線是由圖2-65（a）中B點向右看的地線部分和外接電纜。其組成的輻射系統的等效電路如圖2-65（b）所示，這實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產生的，所以這種模式稱電流驅動模式。

例如，在印制電路板上為了把數字電路和模擬電路分離，常把地分割成數字地和模擬地。如果這兩部分之間有信號聯系，如圖2-66所示，并且數字地和模擬地的連接部分AB比較細長，存在一定寄生電感，則差模電流IDM將在AB連接線的電感上產生共模驅動電壓源，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動產生的共模電流是電壓驅動模式共模電流輻射的基本驅動模式。圖2-67所示的產品中，差模電壓源UDM和電纜產生寄生回路，回路中的共模電流通過電纜產生共模輻射，共模輻射電流ICM≈CωUDM。圖2-68所示的產品中，差模電壓源UDM和金屬外殼的下部分產生寄生回路，回路中的共模電流通過電纜產生共模輻射，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是電壓驅動模式的一個實例。圖中，Q是大功率的開關管，Q可看成是差模電壓源UDM，共模電流ICM的途徑是通過Q（開關管）和散熱片之間的分布電容Cd到達散熱片的，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）磁耦合驅動模式

工作差模信號（有用信號源）回路產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生磁耦合時產生的共模電流是磁耦合驅動共模電流輻射的基本驅動模式。如圖2-70所示是典型磁耦合驅動模式產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，從而產生共模輻射。

圖2-71是開關電源中發生磁耦合共模驅動模式的原理圖。圖中，由電容、變壓器初級、開關管組成的環路1與產品電源線、電源內部電路及電源與參考地之間的寄生電容CP形成的共模環路2之間發生磁耦合，環路2中的電源線中感應出共模電流，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）引起的輻射實際上是一種電流驅動模式下的共模輻射，屏蔽電纜的“豬尾巴”現象在實際應用中非常普遍，為了加強理解，將其單獨進行分析。

在屏蔽電纜的應用中，有時為了連接方便，往往只是將屏蔽層的編織網擰成一段，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），這時就會產生“豬尾巴效應”，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，當電纜屏蔽層與金屬機箱有360°完整搭接，但沒有保證良好的電連續性時，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。

【案例現象描述】

某工業控制產品，其信號輸出接口使用屏蔽電纜，進行輻射發射測試時發現輻射雖然在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】

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

由圖2-74可知，該產品使用屏蔽電纜，但是電纜的屏蔽層在接近產品信號接口的地方擰成“豬尾巴”狀，長約8cm。“豬尾巴”是屏蔽電纜設計與使用時常見的EMC問題，圖2-75可以解釋其產生EMC問題的原理及對產品帶來的影響。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。

要進一步解釋“豬尾巴”的原理，可以從轉移阻抗（ZT）的概念來解釋。ZT是當在屏蔽電纜上注入射頻電流時，中心導體上的電壓與這個電流的比值。對于給定頻率，較低的ZT意味著當在屏蔽電纜上注入射頻電流時，中心導體上只會產生較低的電壓，即對外界干擾具有較高屏蔽效果，同樣也說明中心導體上有電壓時，屏蔽電纜上感應的電流也會較小，即對中心導體產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射的能力。然而“豬尾巴”的存在，相當于在屏蔽層上串聯了一個數十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，測試結果如圖2-76所示。

【思考與啟示】

屏蔽電纜的屏蔽層一定要進行360°搭接，并良好接地。

2.7.3 產生共模輻射的條件

產生共模輻射的條件：

（1）共模驅動源。

（2）等效“天線”。

大部分情況下，“天線”是產品中的電纜或PCB中的導體，是無法避免的，而驅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動源，它通過不對稱振子天線向空間輻射電磁能量。

共模驅動源是可以通過合理的設計避免或減小的。如果設計不合理，當頻率達到MHz級時nH級的小電感和pF級的小電容都將產生嚴重影響。兩個導體連接處的寄生小電感能產生射頻電位差，如圖2-66中的數字地和模擬地之間的連接線的小電感。沒有直接連接點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中的開關電源開關管上的散熱片與開關管是絕緣的，但可以通過它們之間的小電容在射頻頻率上連接起來，構成共模天線的一部分。

等效“天線”的一極可能是設備的外部電纜，另一極可能是設備內部印制板的地線、電源線、機殼、散熱片、金屬支撐架等。當天線兩個極的總長度大于λ/20后，天線的輻射才有可能產生。當天線長度與驅動源諧波的波長符合式（2.8）時，天線發生諧振，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。天線在源的同一側時產生的共模輻射要比天線在兩側時小得多。