EMI/EMC设计讲座(三)传导式EMI的测量技术
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:473
差模和共模噪声
「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产生的噪声也分成两类:差模噪声和共模噪声。简言之,差模噪声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。而共模噪声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数据或讯号;而共模讯号(噪声)是我们不要的副
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噪声源是透过l和n对偶线,来推挽(push and pull)电流idm。因为有dm噪声源的存在,所以没有电流通过接地线路。噪声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,但它不是噪声。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」,而且不是噪声;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。
图一:差模和共模噪声
图二:差模和共模噪声电路
cm噪声源有接地,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噪声,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(common mode rejection ratio;cmrr)」可以参考,因为此噪声不完全是共模的。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,会和邻近的组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。
差模和共模噪声
「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产生的噪声也分成两类:差模噪声和共模噪声。简言之,差模噪声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。而共模噪声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数据或讯号;而共模讯号(噪声)是我们不要的副
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噪声源是透过l和n对偶线,来推挽(push and pull)电流idm。因为有dm噪声源的存在,所以没有电流通过接地线路。噪声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,但它不是噪声。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」,而且不是噪声;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。
图一:差模和共模噪声
图二:差模和共模噪声电路
cm噪声源有接地,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噪声,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(common mode rejection ratio;cmrr)」可以参考,因为此噪声不完全是共模的。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,会和邻近的组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。