emc 与共模差模

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1、EMI / EMC 設計講座（三）傳導式設計講座（三）傳導式 EMI 的測量技術的測量技術 于岳 傳導式（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，形成傳導波（propagation wave）被傳送出去。本文將說明射頻能 量經由電源線傳送時，所產生的傳導式雜訊對 PCB 的影響，以及如何測量傳導式 EMI 和 FCC、CISPR 的 EMI 限制規定。 差模和共模雜訊差模和共模雜訊 傳導式 EMI可以分成兩類：差模（Differential mode；DM）和共模（Common mode； CM）。差模也稱作對稱模式（symm

2、etric mode）或正常模式（normal mode）；而 共模也稱作 不對稱模式 （asymmetric mode） 或 接地洩漏模式 （ground leakage mode） 。 由 EMI 產生的雜訊也分成兩類：差模雜訊和共模雜訊。簡言之，差模雜訊是當兩條電源供 應線路的電流方向互為相反時發生的，如圖 1(a)所示。而共模雜訊是當所有的電源供應線路 的電流方向相同時發生的，如圖 1(b)所示。一般而言，差模訊號通常是我們所要的，因為它 能承載有用的資料或訊號；而共模訊號（雜訊）是我們不要的副作用或是差模電路的副產 品，它正是 EMC 的最大難題。從圖一中，可以清楚發現，共模雜訊的發

3、生大多數是因為 雜散電容（stray capacitor）的不當接地所造成的。這也是為何共模也稱作接地洩漏模 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 測試中的設備 （Equipment Under Test） 之意思。 在 E 下方， 有一個接地符號， 它是採用 國際電工委員會 （International Electrotechnical Commission；IEC）所定義的有保護的接地（Protective Earth）之符號 （在接地線的四

4、週有一個圓形），而且有時會以PE來註明。DM 雜訊源是透過 L 和 N 對偶線，來推挽（push and pull）電流 Idm。因為有 DM 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交流電的週期而變化的。 電源供應電路所提供的基本的交流工作電流，在本質上也是差模的。因為它流進 L 或 N 線 路，並透過 L 或 N 線路離開。不過，在圖二中的差模電流並沒有包含這個電流。這是因為 工作電流雖然是差模的，但它不是雜訊。另一方面，對一個電流源（訊號源）而言，若它的 基本頻率是電源頻率 （line frequency） 的兩倍-100 或 120Hz， 它實質上仍是屬於 直流的

5、 ， 而且不是雜訊；即使它的諧波頻率，超過了標準的傳導式 EMI 之限制範圍（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，因此這會嚴重影響 EMI 濾波器的效能。這時，當使用外部 的電流探針來量測數據時，很可能因此造成測量誤差。 CM 雜訊源有接地，而且 L 和 N 線路具有相同的阻抗 Z。因此，它驅動相同大小的電路通過 L 和 N 線路。不過，這是假設兩者的阻抗大小相等。可以清楚地觀察出，假使雙方的阻抗 不均衡（unbalanced），不對稱的共模電流將分佈在 L 和 N 線路上。這

6、似乎是用詞不 當或與原定義不符，因為 CM 本來又稱作不對稱模式。為了避免混淆，此時的模式 應該稱作非對稱（nonsymmetric）模式，好和不對稱模式做區分。在大多數的電源 供應電路中，在這個模式下所發出的 EMI 是最多的。 圖一：差模和共模雜訊 圖二：差模和共模雜訊電路 利用不等值的負載或線路阻抗，就能夠有效地將 CM 電流轉換成一部分是 CM 電流，另一 部分是 DM 電流。例如：一個 DC-DC 轉換器（converter）供應電源給一個次系統，此次系 統具有不等值（不均衡）的阻抗。而且在 DC-DC 轉換器的輸出端存在著尚未被察覺的共模 雜訊，它變成一個非常真實的（差動）輸入電壓

7、漣波，並施加給次系統。沒有次系統內建的 共模拒斥率（common mode rejection ratio；CMRR）可以參考，因為此雜訊不完全是共 模的。到最後，此次系統可能會發生錯誤。所以，在產生共模電流時，就要馬上降低它的大 小，這是非常重要的，是第一要務。 使阻抗均衡則是第二要務。此外，由於共模和差模的特性，共模電流的頻率會比差模的頻率 大。因此，共模電流會產生很大的射頻輻射。而且，會和鄰近的元件和電路發生電感性與電 容性的耦合。通常，一個 5uA 的共模電流在一個 1m 長的導線中，所產生的射頻輻射量會超 過 FCC 所規範的 B 類限定值。FCC 的 A 類規範限制共模電流最多只能

8、有 15uA。此外，最 短的交流電源線，依照標準規定是 1m，所以電源線的長度不能比 1m 短。 在一個真實的電源供應電路裡，差模雜訊是被一個擺動電流（swinging current），或脈 衝電流（pulsating current）啟動的。但是，DM 雜訊源很像是一個電壓源。另一方面，共 模雜訊是被一個擺動電壓（swinging voltage）啟動的。但 CM 雜訊源的行為卻比較像是 一個電流源，這使得共模雜訊更難被消除。它和所有的電流源一樣，需要有一個流動路徑存 在。因為它的路徑包含底盤（chassis），所以外殼可能會變成一個大型的高頻天線。 返回路徑返回路徑 對雜訊電流而言，真正

9、的返回路徑（return path）是什麼呢？ 實體的電氣路徑之間的距離，最好是越大越好。因為如果沒有 EMI 濾波器存在的話，部分 的雜訊電流將會透過散佈於各地的各種寄生性電容返回。其餘部分將透過無線的方式返回， 這就是輻射；由此產生的電磁場會影響相鄰的導體，在這些導體內產生極小的電流。最後， 這些極小的返回電流在電源供應輸入端的總和會一直維持零值，因此不會違反Kirchhoff 定律在一封閉電路中，過一節點的電流量之代數和為零。 利用簡單的數學公式，就可以將於 L 和 N 線路上所測得的電流，區分為 CM 電流和 DM 電 流。但是為了避免發生代數計算的錯誤，必須先對電流的正方向做一定義。

10、可以假設若 電流由右至左流動，就是正方向，反之則為負方向。此外，必須記住的是：一個電流 I 若在 任一線路中往一個方向流動時，這是等同於 I 往另一個方向流動的（Kirchhoff 定律）。 例如：假設在一條線路（L 或 N）上，測得一個由右至左流動的電流 2A。並在另一條線路 上，測得一個由左至右流動的電流 5A。CM 電流和 DM 電流是多少呢？就 CM 電路而言， 假設它的 E 連接到一個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）電源供應器具有 3 條（有接地線） 或 2 條（沒有接地線）電線不同，不過

11、，在後續的例子中，我們將會發現對那些接地不明的 設備而言，其實它們具有一些洩漏（返回）路徑。 以圖一為例，假設第一次測量的線路是 L（若選擇 N 為首次測量的線路，底下所計算出來 的結果也是一樣的）。由此可以導出： IL = Icm/2 + Idm= 2A IN = Icm/2 - Idm= -5A 求解上面的聯立方程式，可以得出： Icm = -3A Idm = 3.5A 這表示有一個 3A 的電流，流過 E（這是共模的定義）。而且，有一個 3.5A 的電流在 L 和 N 線路中來回流動。 再舉一個例子：假設測得一個 2A 的電流在一條線路中由右至左流動，而且在另一條線路 中沒有電流存在，此

12、時，CM 電流和 DM 電流為多少？ IL = Icm/2 + Idm= 2A IN = Icm/2 - Idm= 0A 對上面的聯立方程式求解，可得出： Icm = 2A Idm = 1A 這是非對稱模式的例子。從此結果可以看出，非對稱模式的一部分可以視為不對 稱（CM）模式，而它的另一部分可視為對稱（DM）模式。 傳導式傳導式 EMI 的測量的測量 為了要測量EMI， 我們必須使用一個 阻抗穩定網路 （Impedance Stabilization Network； ISN） 。 和 ISN 類似的 LISN 已被應用到離線的電源供應電路中， 其全名是 線路阻抗穩定網路 （Line Imp

13、edance Stabilization Network；LISN）或仿真的主要網路（Artificial Mains Network； AMN）。如圖三所示，那是一個簡易的電路圖。若產品想要通過國際射頻干擾特別委 員會（International Special Committee on Radio Interference；CISPR）所制定的CISPR 22 限制（limits）規定，就必須採用符合 CISPR 16 規範所定義的 LISN；CISPR 16 是 CISPR 22 所參考的標準。 圖三：一個 CISPR LISN 的簡易電路圖 使用 LISN 的目的是多重的。它是一個乾淨

14、的交流電源，將電能供應給電源供應器。接 收機或頻譜分析儀可以利用它來讀出測量值。 它提供一個穩定的均衡阻抗， 即使雜訊是來自 於電源供應器。最重要的是，它允許測量工作可以在任何地點重覆進行。對雜訊源而言， LISN 就是它的負載。假設在此 LISN 電路中，L 和 C 的值是這樣決定的： 電感 L 小到不會降低交流的電源電流（50/60Hz）；但在期望的頻率範圍內（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 在期望的頻率範圍內，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

15、機的輸入阻抗已 經被包含進去了。 將一條典型的同軸纜線連接到一台測量儀器 （分析儀或接收機或示波器 等）時，對一個高頻訊號而言，此纜線的輸入阻抗是 50 歐姆（因為傳輸線效應）。所以， 當接收機正在測量這個訊號時， 假設在 L 和 E 之間， LISN 使用一個 繼電/切換 （relay/switch） 電路，將實際的 50 歐姆電阻移往相反的配對線路上，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的輸入阻抗，因為高頻訊號所使用的主要導線之阻抗值 近似於 50 歐姆。此外，它可以讓一般的測量工作，在任

16、何地點、任何時間重覆地進行。值 得注意的是，電信設備的通訊埠是使用阻抗穩定網路，它是使用 150 歐姆，而不是 50 歐姆；這是因為一般的資料線路（data line）之輸入阻抗值近似於 150 歐姆。 圖四：對 DM 和 CM 雜訊源而言，LISN 所代表的負載阻抗 為了瞭解 VL和 VN，請參考圖四。共模電壓是 25 乘以流向 E 的電流值（或者是 50 乘以 Icm/2）。差模電壓是 100 乘以差模電流。因此，LISN 提供下列的負載阻抗給雜訊源（沒有 任何的輸入濾波器存在）： CM 負載阻抗是 25，DM 負載阻抗是 100。 當 LISN 切換時，可以由下式得出雜訊電壓值： VL=25Icm+50Idm 或 VN=25Icm - 50Idm 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