2.7 EMI共模电流的产生机理

EMI共模电流产生的EMC问题也称为共模骚扰，现有标准所考虑的EMI共模电流频率主要集中在150kHz～1GHz之间（频率1GHz以上的要求已在现有的EMC标准中体现），其中150kHz～30MHz频率范围内对应的测试项目是传导骚扰测试，包括信号线的传导骚扰测试和电源线的传导骚扰测试，其中信号线上传导骚扰最主要的测试工具是电流探头。图2-60为信号线传导骚扰测试配置图。可见，信号线上在频率150kHz～30MHz之间的传导骚扰测量的实质就是评估信号线上的共模电流大小。

电源线的传导骚扰包含差模部分和共模部分。图2-61为LISN内部原理图。

图2-61（a）是电源接口传导骚扰测试时，被测设备（EUT）、线性阻抗稳定网络（LISN）、接收机（Reciever）之间的连接关系。图2-61（b）中箭头线表示传导骚扰的电流，它在50Ω电阻上产生的压降就是所测量到的传导骚扰电压结果，图2-61（b）中左图是差模传导骚扰电流流过LISN的原理图，右图是共模传导骚扰电流路过LISN的原理图。实践证明，引起电源接口传导骚扰问题的主要原因是共模传导骚扰，可见对于电源接口的传导骚扰的测试本质是评估流过LISN的共模电流大小。

30MHz～1GHz频段范围内对应的测试项目是辐射发射测试。产品的辐射发射通常有两种情况：一种是设备内部工作电路形成的环路产生的辐射，其辐射形成的主要原因是差模电流；一种是设备的连接线、电缆，较长的PCB中的导体作为天线辐射电磁能量的载体，其辐射形成的主要原因是共模电流。其中后者引起的辐射是产品引起EMI辐射的主要原因，本章将主要讨论产生这些共模电流的原因。

2.7.1 传导骚扰与共模电流分析

1.电源接口上的传导骚扰与共模电流

对开关电源来说，开关电路产生的电磁骚扰是开关电源的主要骚扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管、高频变压器、储能电容等元器件组成。它产生的du/dt具有较大的幅度，频带较宽且谐波丰富。开关电源骚扰传递示意如图2-62所示。

图中，1、3、4都为共模骚扰电流传输路径，它是dv/dt由载流导体与参考地之间的电位差产生的，是开关电源的主要骚扰。这种dv/dt脉冲骚扰主要是由高频变压器的初级线圈引起的。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的电流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈之间的寄生电容，致使一部分能量没有从初级线圈传输到次级线圈，同时，这种骚扰信号也会通过集电极上的散热器、次级线圈电路与参考地之间的寄生电容传递到LISN。图2-63是共模传导骚扰测量的原理图。

图2-63的等效电路如图2-64所示。

2.信号电缆上的传导骚扰与共模电流

信号电缆上的传导骚扰产生的原理与辐射发射产生的原理一样，只是频段不同，参见2.7.2节。

2.7.2 辐射发射与共模电流分析

1.电源线上的辐射发射与共模电流

电源线上的辐射产生的原理与电源接口上共模传导骚扰产生的原理一样，只是频段不同，参见2.7.1节。

2.信号、I/O等电缆的辐射发射与共模电流

在辐射发射测试中，经常会发现一种现象：当设备加上I/O线、控制线等电缆以后，产品的辐射发射值就会变大，即使电缆终端没有加负载也是如此。产生这种现象的原因是电缆变成了天线，它向外辐射着电磁能量，下面对这种辐射的机理进行分析。

共模电流产生的辐射根据驱动模式大致可分为三种：电流驱动模式、电压驱动模式、磁耦合驱动模式。

1）电流驱动模式

差模电流（通常是电路中的正常工作信号的电流）信号传送回流产生的压降驱动产生的共模电流是电流驱动模式共模电流辐射的基本驱动模式。图2-65是电流驱动模式辐射原理示意图。图2-65（a）中UDM是差模电压源，设备内部有很多这样的源，例如各种时钟信号电路、PWM电路等，ZL为回路负载，IDM为回路负载的差模电流，该电流流过AB两点间的回流地（例如印制板的地线），回到差模源。如AB间存在一定的阻抗Z（如平面不完整、AB间用连接器互连等引起的寄生电感LP），则AB间阻抗Z上产生压降为：

这里UCM就是产生共模辐射的驱动源。要产生辐射，除源以外还必须有天线。这里的天线是由图2-65（a）中B点向右看的地线部分和外接电缆。其组成的辐射系统的等效电路如图2-65（b）所示，这实际上是一副不对称振子天线。流过天线的电流即为共模电流，即

式中 ICM—共模电流；

UCM—共模驱动电压；

CA—电缆与参考地之间的寄生电容。

合并式（2.6）和式（2.5）得

由于共模电流ICM是由差模电流IDM产生的，所以这种模式称电流驱动模式。

例如，在印制电路板上为了把数字电路和模拟电路分离，常把地分割成数字地和模拟地。如果这两部分之间有信号联系，如图2-66所示，并且数字地和模拟地的连接部分AB比较细长，存在一定寄生电感，则差模电流IDM将在AB连接线的电感上产生共模驱动电压源，从而引起共模辐射，天线一部分是模拟地，另一部分是外接电缆。

2）电压驱动模式

工作差模电压源（有用电压信号源）通过寄生电容直接驱动产生的共模电流是电压驱动模式共模电流辐射的基本驱动模式。图2-67所示的产品中，差模电压源UDM和电缆产生寄生回路，回路中的共模电流通过电缆产生共模辐射，共模辐射电流ICM≈CωUDM。图2-68所示的产品中，差模电压源UDM和金属外壳的下部分产生寄生回路，回路中的共模电流通过电缆产生共模辐射，共模辐射电流ICM≈CωUDM，其中，C为PCB板中信号印制线与金属外壳或电缆之间寄生电容。

图2-69是电压驱动模式的一个实例。图中，Q是大功率的开关管，Q可看成是差模电压源UDM，共模电流ICM的途径是通过Q（开关管）和散热片之间的分布电容Cd到达散热片的，散热片是共模天线的一个极；然后以空间位移电流的形式，即通过CA到达外部接线，外部接线是天线的另一个极，共模电流再由印制板地回到Q。

3）磁耦合驱动模式

工作差模信号（有用信号源）回路产生的磁场与电缆及金属外壳或印制板地等组成的寄生回路产生磁耦合时产生的共模电流是磁耦合驱动共模电流辐射的基本驱动模式。如图2-70所示是典型磁耦合驱动模式产生的共模电流辐射原理图。图中，差模工作信号在小回路H中流动时，电缆、金属外壳、印制板地及寄生电容组成的大回路耦合到了小回路中的信号，使电缆中带有共模电流信号，从而产生共模辐射。

图2-71是开关电源中发生磁耦合共模驱动模式的原理图。图中，由电容、变压器初级、开关管组成的环路1与产品电源线、电源内部电路及电源与参考地之间的寄生电容CP形成的共模环路2之间发生磁耦合，环路2中的电源线中感应出共模电流，形成共模辐射。

4）屏蔽电缆“猪尾巴”引起的辐射

屏蔽电缆“猪尾巴”（Pigtail）引起的辐射实际上是一种电流驱动模式下的共模辐射，屏蔽电缆的“猪尾巴”现象在实际应用中非常普遍，为了加强理解，将其单独进行分析。

在屏蔽电缆的应用中，有时为了连接方便，往往只是将屏蔽层的编织网拧成一段，即扭成“猪尾巴”状的辫子，芯线有很长一段露出屏蔽层（见图2-72），这时就会产生“猪尾巴效应”，它很大程度上降低了屏蔽层的屏蔽效果，同时，这种电缆也不能很好地抑制共模辐射。类似的，当电缆屏蔽层与金属机箱有360°完整搭接，但没有保证良好的电连续性时，也会造成同样的效果。

屏蔽电缆“猪尾巴”引起的辐射的原理可以通过以下案例分析说明。

【案例现象描述】

某工业控制产品，其信号输出接口使用屏蔽电缆，进行辐射发射测试时发现辐射虽然在CLASS B限值线下，但是余量不足。未通过的辐射测试频谱图如图2-73所示。

摘去信号输出电缆后，辐射降低，可以满足CLASS B要求，并有6dB以上的余量。

【原因分析】

分析测试结果，辐射较高的频点集中在150～230MHz之间，又由于该产品的尺寸较小，只有电缆的长度与较高辐射频点的波长可以比拟。信号接口屏蔽电缆连接方式如图2-74所示。

由图2-74可知，该产品使用屏蔽电缆，但是电缆的屏蔽层在接近产品信号接口的地方拧成“猪尾巴”状，长约8cm。“猪尾巴”是屏蔽电缆设计与使用时常见的EMC问题，图2-75可以解释其产生EMC问题的原理及对产品带来的影响。由图2-75可见，“猪尾巴”的存在犹如存在一个共模电压ΔU。如图2-75（b）所示，并且ΔU驱动着与“猪尾巴”直接相连的信号线电缆屏蔽层，从而形成了共模辐射。

要进一步解释“猪尾巴”的原理，可以从转移阻抗（ZT）的概念来解释。ZT是当在屏蔽电缆上注入射频电流时，中心导体上的电压与这个电流的比值。对于给定频率，较低的ZT意味着当在屏蔽电缆上注入射频电流时，中心导体上只会产生较低的电压，即对外界干扰具有较高屏蔽效果，同样也说明中心导体上有电压时，屏蔽电缆上感应的电流也会较小，即对中心导体产生的骚扰具有较高的屏蔽效果。如果一屏蔽电缆的ZT在整个频率段上仅为几个mΩ，那么这根电缆的屏蔽效果是比较好的。同时，具有较低的转移阻抗的屏蔽电缆也意味着具有较好的屏蔽外接干扰的能力和屏蔽本身辐射发射的能力。然而“猪尾巴”的存在，相当于在屏蔽层上串联了一个数十nH的电感，它能够在接口的电缆屏蔽层上因为屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压。随着频率的增大，如图2-75（c）所示，“猪尾巴”连接的等效转移阻抗也将迅速增大，这样会使屏蔽电缆失去屏蔽效果。

【处理措施】

● 将“猪尾巴”缩短为1cm后，测试结果如图2-76所示。

【思考与启示】

屏蔽电缆的屏蔽层一定要进行360°搭接，并良好接地。

2.7.3 产生共模辐射的条件

产生共模辐射的条件：

（1）共模驱动源。

（2）等效“天线”。

大部分情况下，“天线”是产品中的电缆或PCB中的导体，是无法避免的，而驱动源是任何两个金属体之间存在的射频（RF）电位差，两个金属体分别是它的不对称振子天线的两个极。射频电位差即为共模驱动源，它通过不对称振子天线向空间辐射电磁能量。

共模驱动源是可以通过合理的设计避免或减小的。如果设计不合理，当频率达到MHz级时nH级的小电感和pF级的小电容都将产生严重影响。两个导体连接处的寄生小电感能产生射频电位差，如图2-66中的数字地和模拟地之间的连接线的小电感。没有直接连接点的金属体也可能通过寄生小电容变成“天线”的一部分，如图2-69中的开关电源开关管上的散热片与开关管是绝缘的，但可以通过它们之间的小电容在射频频率上连接起来，构成共模天线的一部分。

等效“天线”的一极可能是设备的外部电缆，另一极可能是设备内部印制板的地线、电源线、机壳、散热片、金属支撑架等。当天线两个极的总长度大于λ/20后，天线的辐射才有可能产生。当天线长度与驱动源谐波的波长符合式（2.8）时，天线发生谐振，辐射效率最大。

在确定天线总长度时，源在天线上的位置是天线辐射效率的决定因素。天线在源的同一侧时产生的共模辐射要比天线在两侧时小得多。