共模輻射技術(shù)分析及其抑制

南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司 陳旭鴻 劉學(xué)全

1.引言

輻射發(fā)射是電子/電氣設(shè)備需要滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試項(xiàng)目之一，從其發(fā)射機(jī)理上看，可劃分為差模輻射和共模輻射。我們知道，差模輻射來(lái)自于電路的正常工作以及沿電路中的導(dǎo)體所形成的環(huán)路流動(dòng)的電流；而共模輻射來(lái)自于電路的寄生參數(shù)以及在導(dǎo)體中產(chǎn)生的不期望的電壓降。

共模輻射最常見(jiàn)的形式是系統(tǒng)的電纜構(gòu)成的共模發(fā)射，其輻射頻率由共模電勢(shì)(通常是地電壓)決定(如圖1所示)，跟電纜傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)沒(méi)什么關(guān)系。為了幫助工程師深入理解共模輻射的成因和輻射機(jī)理，本文將結(jié)合理論分析與工程設(shè)計(jì)，梳理有關(guān)概念，為工程師提供有價(jià)值的設(shè)計(jì)參考。

2.共模輻射的理論分析

EMC測(cè)量普遍遇到的困擾是，當(dāng)設(shè)備不連接輸入/輸出線(xiàn)纜時(shí)輻射的噪聲較小，但接上線(xiàn)纜后輻射噪聲在某些頻段將顯著增大，有時(shí)可達(dá)10～20dB。相關(guān)實(shí)驗(yàn)也證明輻射噪聲的增大與外接線(xiàn)纜終端是否接負(fù)載無(wú)關(guān)，即與是否有差模負(fù)載電流無(wú)關(guān)，由此可見(jiàn)這是共模電流的輻射問(wèn)題。

2.1 共模輻射的電流驅(qū)動(dòng)模式

當(dāng)差模電流流經(jīng)接地阻抗時(shí)，在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電壓降，如果有電纜被連接到數(shù)字系統(tǒng)，則電纜將受該共模地電勢(shì)驅(qū)動(dòng)，形成天線(xiàn)，它產(chǎn)生的輻射主要是電場(chǎng)，如圖1所示。因?yàn)檫@些寄生阻抗并非系統(tǒng)的有意設(shè)計(jì)，所以共模輻射很難理解和控制。這種輻射模式是所謂的電流驅(qū)動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)的天線(xiàn)相當(dāng)于不對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)。

圖1 電纜產(chǎn)生的共模輻射-電流驅(qū)動(dòng)模式

這種共模發(fā)射可采用被噪聲電壓(接地電壓)驅(qū)動(dòng)的偶極子(或單極子)天線(xiàn)(如電纜)來(lái)模擬。對(duì)于長(zhǎng)度為1的短偶極子天線(xiàn)，在距離源為r的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的電場(chǎng)強(qiáng)度可用(1-1)(Ba1anis，1982)表示。

式中的E單位是V/m，f單位是Hz，I是電纜(天線(xiàn))上的共模電流，單位為A，r的單位是m，θ是被觀測(cè)天線(xiàn)的軸的角度，最大場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，θ=90°，與天線(xiàn)的軸垂直。

(1-1)式對(duì)于電流分布一致的理想偶極子天線(xiàn)有效。理想偶極子天線(xiàn)上的電流分布均勻一致，處處等幅同相，但對(duì)于非理想的天線(xiàn)，在其開(kāi)路末端，電流趨近于零。但對(duì)于小天線(xiàn)，電流分布在天線(xiàn)長(zhǎng)度上呈線(xiàn)性，因此天線(xiàn)的平均電流僅為最大電流的一半。

假設(shè)觀察距離為r，與天線(xiàn)軸垂直(θ=90°)，采用MKS單位制，那么式(1-1)可改寫(xiě)為如下所示。

(1-2)式表明，共模輻射與頻率、天線(xiàn)長(zhǎng)度和共模電流的大小成正比。最小化輻射的主要方法是限制共模電流，因?yàn)檫@是電路的正常工作所不需要的。

因此，根據(jù)此公式，共模輻射可通過(guò)以下幾種方法來(lái)進(jìn)行控制：(1)減小共模電流的大??；(2)減小電流諧波分量的頻率；(3)減小天線(xiàn)(或電纜)的長(zhǎng)度。

圖2是共模輻射發(fā)射的頻譜包絡(luò)，它表明共模發(fā)射是一個(gè)低頻問(wèn)題。如果干擾噪聲電流的上升沿時(shí)間為1～10ns，那么大多數(shù)共模輻射發(fā)射可能產(chǎn)生在30～300MHz頻率段。

圖2 共模輻射發(fā)射頻譜包絡(luò)圖

經(jīng)過(guò)差模電流輻射與共模電流輻射的比較，可以得出這樣的結(jié)果——相同大小的共模電流所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)是差模電流的3個(gè)數(shù)量級(jí)。

對(duì)于長(zhǎng)電纜(1＞λ/4)，上述公式不再適用，需要采用經(jīng)過(guò)修正的(1-4)。

是共模電流，r是單位為m的測(cè)量距離。

可以看出，對(duì)于長(zhǎng)電纜，共模輻射發(fā)射包絡(luò)不再是電纜長(zhǎng)度和頻率的函數(shù)，僅是電纜中共模電流的函數(shù)。

2.2 共模輻射的電壓驅(qū)動(dòng)模式

共模輻射還有一種所謂的電壓驅(qū)動(dòng)模式，其原理如圖3所示，圖中的差模電壓源直接驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線(xiàn)的兩個(gè)部分，即上金屬部分和下金屬部分，從而產(chǎn)生共模輻射。共模輻射電流可表示如下：

式中的為上下兩部分金屬部件之間的分布電容。

圖3 電壓驅(qū)動(dòng)的共模輻射

電壓驅(qū)動(dòng)模式的共模輻射相對(duì)較少，對(duì)產(chǎn)品的輻射發(fā)射很少起決定性作用，本文不再進(jìn)行深入分析。

2.3 共模輻射產(chǎn)生的條件

根據(jù)以上分析，共模輻射產(chǎn)生的條件有兩點(diǎn)：1)有共模驅(qū)動(dòng)源；2)有共模天線(xiàn)。任何兩個(gè)金屬體之間只要存在RF電位差就可構(gòu)成一副不對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)，兩個(gè)金屬體分別是振子天線(xiàn)的兩極，RF電位差為共模驅(qū)動(dòng)源，它通過(guò)不對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)間的空間輻射電磁能量。

當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率達(dá)到MHz級(jí)時(shí)，nH級(jí)的小電感和pF級(jí)的小電容都將產(chǎn)生重要影響。兩個(gè)導(dǎo)體連接處的小電感就會(huì)產(chǎn)生RF電位差。沒(méi)有物理連接點(diǎn)的金屬體也可能通過(guò)小電容變成天線(xiàn)的一部分。

一般而言，共模輻射天線(xiàn)一極必定是設(shè)備的外部連接線(xiàn)纜，另一極可以是設(shè)備內(nèi)PCB的地線(xiàn)、電源平面、設(shè)備外殼、散熱片、安裝金屬支架等。而且，當(dāng)天線(xiàn)的兩極總長(zhǎng)度大于λ／20時(shí)，天線(xiàn)的輻射發(fā)射才可能有效。當(dāng)天線(xiàn)長(zhǎng)度與驅(qū)動(dòng)源諧波的波長(zhǎng)滿(mǎn)足1＝nλ／20(n＝1，2，3，…)時(shí)，天線(xiàn)產(chǎn)生諧振，輻射能量最大。

天線(xiàn)總長(zhǎng)度確定時(shí)，源在天線(xiàn)上的位置是天線(xiàn)輻射能量的決定性因素。天線(xiàn)在源的同一側(cè)時(shí)產(chǎn)生的共模輻射要比天線(xiàn)在兩側(cè)時(shí)小得多。

3.共模輻射發(fā)射的抑制技術(shù)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電纜的長(zhǎng)度取決于互聯(lián)距離的需要，也不是EMC工程師的可控范圍。而且，電纜長(zhǎng)度超過(guò)1/4波長(zhǎng)后，因?yàn)槭嚯娏鞯拇嬖?，共模輻射與它的長(zhǎng)度不再相關(guān)。因此，只有共模電流的大小完全是設(shè)計(jì)師可以控制的因素。

電纜上的凈共模電流可以采用以下幾種技術(shù)來(lái)進(jìn)行控制：

(1)最小化共模源的電壓，即地電勢(shì)；

(2)提供大的共模阻抗與電纜串聯(lián)，如扼流圈；

(3)分流共模電流；

(4)屏蔽電纜；

(5)隔離電纜與PCB的地，例如變壓器或光耦合器。

共模抑制技術(shù)的本質(zhì)要求是能夠影響共模電流但不影響有用的差模信號(hào)。在過(guò)去，I/O信號(hào)的頻率比較低，這一條很容易做到，但在數(shù)字電路高速化的今天，這一要求就顯得更加復(fù)雜了。

3.1 共模電壓的控制

控制共模輻射的第一步是使驅(qū)動(dòng)電纜(天線(xiàn))的共模電壓最小，通常這一要求意味著最小化地阻抗。使用地平面和地網(wǎng)是非常有效的方法，而且，避免地平面的開(kāi)槽是再重要不過(guò)的要求。

電路地和外殼(機(jī)箱)在何處和如何連接也是決定共模電壓大小的重要條件，電路與底板(外殼)之間的接地連接距離電纜在PCB端接的位置越遠(yuǎn)，這兩點(diǎn)之間的噪聲電壓越大。我們知道，外部電纜的共模電流的參考或回路平面是設(shè)備的外殼，如圖6-A所示。PCB上I/O區(qū)的電路地應(yīng)與外殼處于同一電勢(shì)，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這兩點(diǎn)在I/O區(qū)應(yīng)連接在一起。為了起到作用，連接的阻抗(電感)必須在所有的頻率上都足夠低，所以通常需要多點(diǎn)連接。

有時(shí)，即使地電壓已經(jīng)很小了，但還不足以控制共模輻射發(fā)射，所以往往需要結(jié)合其他共模輻射抑制技術(shù)。

3.2 電纜的濾波與屏蔽

通過(guò)控制地電壓不能有效減小共模電流的情況下，就必須使用一些形式的濾波消除電纜上的共模噪聲，或者使用屏蔽電纜的方法消減電纜產(chǎn)生的輻射。

電纜的屏蔽和端接本文不進(jìn)行論述，就其對(duì)電纜屏蔽效能的影響僅采用圖4進(jìn)行說(shuō)明。

圖4 電纜的屏蔽端接對(duì)共模電流的影響

圖4中A沒(méi)有采用屏蔽電纜，在非屏蔽電纜上共模噪聲電壓驅(qū)動(dòng)共模電流。該電流不回流到電纜，而是通過(guò)電纜與設(shè)備外殼之間的分布電容C回流到共模源，這樣就會(huì)產(chǎn)生共模輻射發(fā)射，它的共模輻射發(fā)射可用公式(1-2)計(jì)算。

圖4中B采用屏蔽電纜，并使用了360°的端接處理。共模噪聲電壓仍驅(qū)動(dòng)共模電流，但在電纜的中心導(dǎo)體上。電纜的屏蔽消除了設(shè)備外殼與電纜中心導(dǎo)線(xiàn)之間的分布電容，共模電流現(xiàn)通過(guò)中心導(dǎo)線(xiàn)與屏蔽層之間的分布電容流動(dòng)，并沿電纜屏蔽層的內(nèi)表面回流，電纜上的凈共模電流為零，無(wú)電纜引起的共模輻射發(fā)射，但其效果取決于端接處理。

圖4中C采用了屏蔽電纜，但沒(méi)有端接電纜屏蔽層，共模電壓仍驅(qū)動(dòng)共模電流出現(xiàn)在電纜的中心導(dǎo)線(xiàn)上，屏蔽層消除了中心導(dǎo)線(xiàn)與外殼之間的分布電容，共模電流流經(jīng)中心導(dǎo)線(xiàn)與屏蔽層之間的分布電容，從電纜屏蔽層內(nèi)表面回流，就這一點(diǎn)而言，C與B類(lèi)似，但因?yàn)殡娎|屏蔽層沒(méi)有端接，共模電流不能從設(shè)備外殼回流到源，迫使其沿著屏蔽層外表面，經(jīng)與外殼之間的分布電容C，再回流到共模源。如果測(cè)量電纜上的共模電流，將等于，輻射發(fā)射可由公式(1-3)計(jì)算，其輻射發(fā)射結(jié)果與A相同。

圖4中D將電纜屏蔽層以“豬尾巴”方式連接到設(shè)備外殼，它的共模電流分析與C類(lèi)似，但在A點(diǎn)出現(xiàn)電流分流，部分電流流向電纜屏蔽層外表面，而部分電流通過(guò)電纜屏蔽層外側(cè)與設(shè)備外殼之間的分布電容，剩下的電流經(jīng)由“豬尾巴”回到外殼。中心導(dǎo)線(xiàn)上的電流和屏蔽層內(nèi)表面上的電流相互抵消，最終成為“凈共模電流”，其輻射發(fā)射可用公式(1-3)計(jì)算?！柏i尾巴”越長(zhǎng)，連接的阻抗越大，就越大，輻射發(fā)射也越大。就D而言，屏蔽層外表面的電流路徑是容性的，而“豬尾巴”連接的電流路徑是感性的，如果共模電流是方波，那么更高的頻率分量將經(jīng)由屏蔽層外表面，而更低的頻率分量經(jīng)由“豬尾巴”。

圖4中E將電纜屏蔽層端接到了PCB電路地，使屏蔽電纜變成了非屏蔽電纜。共模電壓Vcm激勵(lì)屏蔽層，驅(qū)動(dòng)共模電流Icm流經(jīng)屏蔽層，屏蔽層的作用與A中的非屏蔽電纜相同。就實(shí)際設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，I/O連接器多數(shù)裝在PCB上，為了避免出現(xiàn)這種導(dǎo)致屏蔽效能下降的情況，連接器的外殼必須360°與外殼接觸，如圖5所示。

圖5 連接器與外殼360°導(dǎo)電連接

4.設(shè)計(jì)階段共模輻射問(wèn)題的對(duì)策

在設(shè)計(jì)階段，及早針對(duì)共模輻射問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮是提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率的關(guān)鍵條件。

如圖6所示，使用鉗式高頻電流探頭和頻譜分析儀(或EMI接收機(jī))可以對(duì)電纜上的共模電流進(jìn)行測(cè)量。由于在大多數(shù)產(chǎn)品中，共模發(fā)射是輻射發(fā)射的最主要部分，所以這里測(cè)量的共模電流決定著產(chǎn)品的最大發(fā)射。

圖6 共模電流的測(cè)量

測(cè)量的共模電流結(jié)果對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義在于：1)比較或確定各種不同共模輻射發(fā)射抑制技術(shù)的效果(在第1部分可供選擇的控制手段)，決定最終設(shè)計(jì)方案；2)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值倒推的最大允許共模電流值進(jìn)行對(duì)比，確定是否可以滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，這是在產(chǎn)品的預(yù)測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的可選方案。

由EMC標(biāo)準(zhǔn)限值倒推的最大允許共模電流可按照以下方法進(jìn)行。由公式(1-2)求解共模電流I，可得：

式中電流I的單位是μA，電場(chǎng)強(qiáng)度E的單位是μV/m，頻率f的單位是MHz，距離r和電纜長(zhǎng)度1的單位是m。

表1列出了1m長(zhǎng)電纜的共模輻射滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)輻射發(fā)射限值且頻率為50MHz時(shí)的近似最大允許共模電流。

表1 1m長(zhǎng)電纜50MHz時(shí)的最大允許共模電流

5.結(jié)語(yǔ)

電子/電氣設(shè)備內(nèi)的共模輻射是影響其EMC性能的關(guān)鍵因素，只有充分理解其本質(zhì)及其控制條件，才能通過(guò)合理的電路、電纜、結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)減小或避免共模電流的產(chǎn)生或影響，從而滿(mǎn)足相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求。共模輻射的天線(xiàn)效應(yīng)可以使用共模濾波、光耦合器或電纜屏蔽等方法在“天線(xiàn)”上采取措施，但最根本的還是應(yīng)該在PCB設(shè)計(jì)、元器件布局和線(xiàn)纜的敷設(shè)、端接等方面切入，抑制共模騷擾源的產(chǎn)生。而在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段就考慮共模輻射問(wèn)題，并采取有效的設(shè)計(jì)手段，是保障產(chǎn)品EMC性能的最佳策略。

[1]Keith Armstrong,Design Techniques for EMC Part 2-Cables and Connectors,EMC Journal Issue 65/64 2006.

[2]Henry W.Ott，Electromagnetic Compatibility Engineering,A John Wiley & Sons,Inc.Publication,ISBN 978-0-470-18930-6.

[3]User Guide,Cable Shield and Ground,Version 2009-06,IA&DT Service Support,Siemens.

[4]Clayton R.Paul，Introduction to Electromagnetic Compatibility,2nd edition,A John Wiley & Sons,Inc.Publication,ISBN-13:978-0-471-75500-5(alk.Paper).

[5]劉萍,沙斐.共模騷擾的成因與對(duì)策，北方交通大學(xué)抗電磁干擾研究中心.

[6]李迪等譯.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試(第四版),Tim Williams著[M].電子工業(yè)出版社,ISBN 9787121060816.

[7]王培清,李迪譯.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)(第二版),Henry Ott著[M].電子工業(yè)出版社,ISBN 7-5053-9106-2.