共模輻射技術分析及其抑制

南車株洲電力機車研究所有限公司 陳旭鴻 劉學全

1.引言

輻射發射是電子/電氣設備需要滿足的標準EMC測試項目之一，從其發射機理上看，可劃分為差模輻射和共模輻射。我們知道，差模輻射來自于電路的正常工作以及沿電路中的導體所形成的環路流動的電流；而共模輻射來自于電路的寄生參數以及在導體中產生的不期望的電壓降。

共模輻射最常見的形式是系統的電纜構成的共模發射，其輻射頻率由共模電勢(通常是地電壓)決定(如圖1所示)，跟電纜傳輸的有用信號沒什么關系。為了幫助工程師深入理解共模輻射的成因和輻射機理，本文將結合理論分析與工程設計，梳理有關概念，為工程師提供有價值的設計參考。

2.共模輻射的理論分析

EMC測量普遍遇到的困擾是，當設備不連接輸入/輸出線纜時輻射的噪聲較小，但接上線纜后輻射噪聲在某些頻段將顯著增大，有時可達10～20dB。相關實驗也證明輻射噪聲的增大與外接線纜終端是否接負載無關，即與是否有差模負載電流無關，由此可見這是共模電流的輻射問題。

2.1 共模輻射的電流驅動模式

當差模電流流經接地阻抗時，在數字系統內會產生電壓降，如果有電纜被連接到數字系統，則電纜將受該共模地電勢驅動，形成天線，它產生的輻射主要是電場，如圖1所示。因為這些寄生阻抗并非系統的有意設計，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動模式，驅動的天線相當于不對稱振子天線。

圖1 電纜產生的共模輻射-電流驅動模式

這種共模發射可采用被噪聲電壓(接地電壓)驅動的偶極子(或單極子)天線(如電纜)來模擬。對于長度為1的短偶極子天線，在距離源為r的遠場測量的電場強度可用(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)上的共模電流，單位為A，r的單位是m，θ是被觀測天線的軸的角度，最大場強時，θ=90°，與天線的軸垂直。

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

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

(1-2)式表明，共模輻射與頻率、天線長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，因為這是電路的正常工作所不需要的。

因此，根據此公式，共模輻射可通過以下幾種方法來進行控制：(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(或電纜)的長度。

圖2是共模輻射發射的頻譜包絡，它表明共模發射是一個低頻問題。如果干擾噪聲電流的上升沿時間為1～10ns，那么大多數共模輻射發射可能產生在30～300MHz頻率段。

圖2 共模輻射發射頻譜包絡圖

經過差模電流輻射與共模電流輻射的比較，可以得出這樣的結果——相同大小的共模電流所產生的輻射場是差模電流的3個數量級。

對于長電纜(1＞λ/4)，上述公式不再適用，需要采用經過修正的(1-4)。

是共模電流，r是單位為m的測量距離。

可以看出，對于長電纜，共模輻射發射包絡不再是電纜長度和頻率的函數，僅是電纜中共模電流的函數。

2.2 共模輻射的電壓驅動模式

共模輻射還有一種所謂的電壓驅動模式，其原理如圖3所示，圖中的差模電壓源直接驅動發射天線的兩個部分，即上金屬部分和下金屬部分，從而產生共模輻射。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 電壓驅動的共模輻射

電壓驅動模式的共模輻射相對較少，對產品的輻射發射很少起決定性作用，本文不再進行深入分析。

2.3 共模輻射產生的條件

根據以上分析，共模輻射產生的條件有兩點：1)有共模驅動源；2)有共模天線。任何兩個金屬體之間只要存在RF電位差就可構成一副不對稱振子天線，兩個金屬體分別是振子天線的兩極，RF電位差為共模驅動源，它通過不對稱振子天線間的空間輻射電磁能量。

當系統的工作頻率達到MHz級時，nH級的小電感和pF級的小電容都將產生重要影響。兩個導體連接處的小電感就會產生RF電位差。沒有物理連接點的金屬體也可能通過小電容變成天線的一部分。

一般而言，共模輻射天線一極必定是設備的外部連接線纜，另一極可以是設備內PCB的地線、電源平面、設備外殼、散熱片、安裝金屬支架等。而且，當天線的兩極總長度大于λ／20時，天線的輻射發射才可能有效。當天線長度與驅動源諧波的波長滿足1＝nλ／20(n＝1，2，3，…)時，天線產生諧振，輻射能量最大。

天線總長度確定時，源在天線上的位置是天線輻射能量的決定性因素。天線在源的同一側時產生的共模輻射要比天線在兩側時小得多。

3.共模輻射發射的抑制技術

在產品設計中，電纜的長度取決于互聯距離的需要，也不是EMC工程師的可控范圍。而且，電纜長度超過1/4波長后，因為失相電流的存在，共模輻射與它的長度不再相關。因此，只有共模電流的大小完全是設計師可以控制的因素。

電纜上的凈共模電流可以采用以下幾種技術來進行控制：

(1)最小化共模源的電壓，即地電勢；

(2)提供大的共模阻抗與電纜串聯，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。

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

3.1 共模電壓的控制

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

電路地和外殼(機箱)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，這兩點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備的外殼，如圖6-A所示。PCB上I/O區的電路地應與外殼處于同一電勢，為了實現這一點，這兩點在I/O區應連接在一起。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，所以通常需要多點連接。

有時，即使地電壓已經很小了，但還不足以控制共模輻射發射，所以往往需要結合其他共模輻射抑制技術。

3.2 電纜的濾波與屏蔽

通過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生的輻射。

電纜的屏蔽和端接本文不進行論述，就其對電纜屏蔽效能的影響僅采用圖4進行說明。

圖4 電纜的屏蔽端接對共模電流的影響

圖4中A沒有采用屏蔽電纜，在非屏蔽電纜上共模噪聲電壓驅動共模電流。該電流不回流到電纜，而是通過電纜與設備外殼之間的分布電容C回流到共模源，這樣就會產生共模輻射發射，它的共模輻射發射可用公式(1-2)計算。

圖4中B采用屏蔽電纜，并使用了360°的端接處理。共模噪聲電壓仍驅動共模電流，但在電纜的中心導體上。電纜的屏蔽消除了設備外殼與電纜中心導線之間的分布電容，共模電流現通過中心導線與屏蔽層之間的分布電容流動，并沿電纜屏蔽層的內表面回流，電纜上的凈共模電流為零，無電纜引起的共模輻射發射，但其效果取決于端接處理。

圖4中C采用了屏蔽電纜，但沒有端接電纜屏蔽層，共模電壓仍驅動共模電流出現在電纜的中心導線上，屏蔽層消除了中心導線與外殼之間的分布電容，共模電流流經中心導線與屏蔽層之間的分布電容，從電纜屏蔽層內表面回流，就這一點而言，C與B類似，但因為電纜屏蔽層沒有端接，共模電流不能從設備外殼回流到源，迫使其沿著屏蔽層外表面，經與外殼之間的分布電容C，再回流到共模源。如果測量電纜上的共模電流，將等于，輻射發射可由公式(1-3)計算，其輻射發射結果與A相同。

圖4中D將電纜屏蔽層以“豬尾巴”方式連接到設備外殼，它的共模電流分析與C類似，但在A點出現電流分流，部分電流流向電纜屏蔽層外表面，而部分電流通過電纜屏蔽層外側與設備外殼之間的分布電容，剩下的電流經由“豬尾巴”回到外殼。中心導線上的電流和屏蔽層內表面上的電流相互抵消，最終成為“凈共模電流”，其輻射發射可用公式(1-3)計算?！柏i尾巴”越長，連接的阻抗越大，就越大，輻射發射也越大。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由屏蔽層外表面，而更低的頻率分量經由“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激勵屏蔽層，驅動共模電流Icm流經屏蔽層，屏蔽層的作用與A中的非屏蔽電纜相同。就實際設計來說，I/O連接器多數裝在PCB上，為了避免出現這種導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°導電連接

4.設計階段共模輻射問題的對策

在設計階段，及早針對共模輻射問題進行設計考慮是提高產品開發效率的關鍵條件。

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)可以對電纜上的共模電流進行測量。由于在大多數產品中，共模發射是輻射發射的最主要部分，所以這里測量的共模電流決定著產品的最大發射。

圖6 共模電流的測量

測量的共模電流結果對產品設計的意義在于：1)比較或確定各種不同共模輻射發射抑制技術的效果(在第1部分可供選擇的控制手段)，決定最終設計方案；2)與相關標準限值倒推的最大允許共模電流值進行對比，確定是否可以滿足該標準的要求，這是在產品的預測試階段發現問題和解決問題的可選方案。

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

式中電流I的單位是μA，電場強度E的單位是μV/m，頻率f的單位是MHz，距離r和電纜長度1的單位是m。

表1列出了1m長電纜的共模輻射滿足相關標準輻射發射限值且頻率為50MHz時的近似最大允許共模電流。

表1 1m長電纜50MHz時的最大允許共模電流

5.結語

電子/電氣設備內的共模輻射是影響其EMC性能的關鍵因素，只有充分理解其本質及其控制條件，才能通過合理的電路、電纜、結構的相關設計減小或避免共模電流的產生或影響，從而滿足相關EMC標準的要求。共模輻射的天線效應可以使用共模濾波、光耦合器或電纜屏蔽等方法在“天線”上采取措施，但最根本的還是應該在PCB設計、元器件布局和線纜的敷設、端接等方面切入，抑制共模騷擾源的產生。而在設備的設計階段就考慮共模輻射問題，并采取有效的設計手段，是保障產品EMC性能的最佳策略。

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