EMIEMC设计讲座

EMI/EMC设计讲座（二上）PCB上电的来源在PCB中，会产生EMI的原因很多，例如：射频电流、共模准位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。为了掌握EMI，我们需要逐步理解这些原因和它们的影响。虽然，我们可以直接从电磁理论中，学到造成EMI现象的数学根据，但是，这是一条很辛苦、很漫长的道路。对一般工程师而言，简单而清楚的描述更是重要。本文将探讨，在PCB上「电的来源」、Maxwell方程式的应用、磁通量最小化的概念。电的来源与磁的来源相反，电的来源是以时变的电双极（electricdipole）来建立模型。这表示有两个分开的、极性相反的、时变的点电荷（pointcharges）互为相邻。双极的两端包含着电荷的变化。此电荷的变化，是因为电流在双极的全部长度内，不断地流动而造成的。利用振荡器输出讯号去驱动一个没有终端的（unterminated）天线，此种电路是可以用来代表电的来源。但是，此电路无法套用低频的电路原理来做解释。不考虑此电路中的讯号之有限传播速度（这是依据非磁性材料的介电常数而定），反正射频电流会在此电路产生。这是因为传播速度是有限的，不是无限的。此假设是：导线在所有点上，都包含相同的电压，并且此电路在任何一点上，瞬间都是均衡的。这种电的来源所产生的电磁场，是四个变数的函数：1.回路中的电流振幅：电磁场和在双极中流动的电流量成正比。2.双极的极性和测量装置的关系：与磁来源一样，双极的极性必须和测量装置的天线之极性相同。3.双极的大小：电磁场和电流元件的长度成正比，不过，其走线长度必须只有波长的部分大。双极越大，在天线端所测量到的频率就越低。对特定的大小而言，此天线会在特定的频率下共振。4.距离：电场和磁场彼此相关。两者的强度和距离成正比。在远场（farfield），其行为和回路源（磁的来源）类似，会出现一个电磁平面波。当靠近「点源（pointsource）」时，电场和磁场与距离的相依性增加。近场（nearfield）（磁和电的成分）和远场的关系，如附图一所示。所有的波都是磁场和电场成分的组合。这种组合称作「Poynting向量」。实际上，是没有一个单独的电波或磁波存在的。我们之所以能够测量到平面波，是因为对一个小天线而言，在距离来源端数个波长的地方，其波前（wavefront）看起来像平面一样。这种外貌是由天线所观测到的物理「轮廓」；这就好像从河边向河中打水漂一样，我们所看到的水波是一波波的涟漪。场传播是从场的点源，以光速的速度向外辐射出去；其中，。电场成分的测量单位是V/m，磁场成分的测量单位是A/m。电场（E）和磁场（H）的比率是自由空间（freespace）的阻抗。这里必须强调的是，在平面波中，波阻抗Z0，或称作自由空间的特性阻抗，是和距离无关，也和点源的特性无关。对一个在自由空间中的平面波而言：波前所承载的能量单位是watts/m2。就Maxwell方程式的大多数应用而言，杂讯耦合方法可以代表等效元件的模型。例如：在两个导体之间的一个时变电场，可以代表一个电容。在相同的两导体之间，一个时变磁场可以代表互感（mutualinductance）。附图二表示这两种杂讯耦合机制。图一：波阻抗和距离的关系平面波的形状若要使此杂讯耦合方法正确，电路的实际大小必须比讯号的波长小。若此模型不是真正正确时，仍然可以使用集总元件（lumpedcomponent）来说明EMC，原因如下：1.Maxwell方程式不能直接应用在大多数的真实情况中，这是因为复杂的边界条件所造成的。如果我们对集总模型的近似正确度没有信心，则此模型是不正确的。不过，大多数的集总元件（或称作离散元件）是可靠的。2.数值模型不会显示杂讯是如何根据系统参数产生的。纵使有一个模型可能是答案，但与系统相关的参数是不会被预知、辨识，和显现的。在所有可用的模型当中，集总元件所建立的模型算是最好的。为什么这个理论和对Maxwell方程式的讨论，对PCB设计和布线（layout）很重要？答案很简单。我们必须先知道电磁场是如何产生的，之后我们就能够降低在PCB中，由射频产生的电磁场。这与降低电路中的射频电流有关。此射频电流直接和讯号分布网路、旁路和耦合相关。射频电流最后会形成时脉的谐波和其它数位讯号。讯号分布网路必须尽量的小，如此才能将射频回传电流的回路区域尽量缩小。旁路和耦合与最大电流相关，而且必须透过电源分散网路来产生大电流；而电源分散网路，在定义上，它的射频回传电流之回路区域是很大的。图二：杂讯耦合方法（三）传导式EMI的测量技术(上)「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（propagationwave）」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（Differentialmode；DM）和共模（Commonmode；CM）。差模也称作「对称模式（symmetricmode）」或「正常模式（normalmode）」；而共模也称作「不对称模式（asymmetricmode）」或「接地泄漏模式（groundleakagemode）」。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（straycapacitor）」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（Earthwire）」的意思；EUT是「测试中的设备（EquipmentUnderTest）」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（InternationalElectrotechnicalCommission；IEC）」所定义的「有保护的接地（ProtectiveEarth）」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，来推挽（pushandpull）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（linefrequency）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（150kHzto30MHz）。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（filterchoke）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。图一：差模和共模杂讯图二：差模和共模杂讯电路CM杂讯源有接地，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杂讯，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（commonmoderejectionratio；CMRR）」可以参考，因为此杂讯不完全是共模的。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，是第一要务。使阻抗均衡则是第二要务。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，会和邻近的元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，差模杂讯是被一个「摆动电流（swingingcurrent）」，或「脉冲电流（pulsatingcurrent）」启动的。但是，DM杂讯源很像是一个电压源。另一方面，共模杂讯是被一个「摆动电压（swingingvoltage）」启动的。但CM杂讯源的行为却比较像是一个电流源，这使得共模杂讯更难被消除。它和所有的电流源一样，需要有一个流动路径存在。因为它的路径包含底盘（chassis），所以外壳可能会变成一个大型的高频天线。返回路径对杂讯电流而言，真正的返回路径（returnpath）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=2μAIN=Icm/2-Idm=-5μA求解上面的联立方程式，可以得出：Icm=-3μAIdm=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=2μAIN=Icm/2-Idm=0μA对上面的联立方程式求解，可得出：Icm=2μAIdm=1μA这是「