EMC 与共模差模

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1、EMI/EMC設計講座（三）傳導式EMI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（propagationwave）」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「傳導式EMI」可以分成兩類：差模（Differentialmode；DM）和共模（Commonmode；CM）。差模也稱作「對稱模式（symm

2、etricmode）」或「正常模式（normalmode）」；而共模也稱作「不對稱模式（asymmetricmode）」或「接地洩漏模式（groundleakagemode）」。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

3、大難題。從圖一中，可以清楚發現，共模雜訊的發生大多數是因為「雜散電容（straycapacitor）」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（Earthwire）」的意思；EUT是「測試中的設備（EquipmentUnderTest）」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（InternationalElectrotechnicalCommission

4、；IEC）」所定義的「有保護的接地（ProtectiveEarth）」之符號（在接地線的四週有一個圓形），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（pushandpull）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

5、，若它的基本頻率是電源頻率（linefrequency）的兩倍----100或120Hz，它實質上仍是屬於「直流的」，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（150kHzto30MHz）。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（filterchoke）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

6、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

7、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）輸入電壓漣波，並施加給次系統。沒有次系統內建的「共模拒斥率（commonmoderejectionratio；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

8、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