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傳導式EMI的測量技術

發布時間:2008-09-30 來源:52RD硬件研發

 中心論題:

  • 射頻能量經由電源線傳送時對PCB的影響。
  • 傳導式EMI分為差模和共模兩類。
  • 傳導式EMI的測量方法。
  • 傳導式EMI的限制。
解決方案:
  • 用數學方法分離L和N線路上所測得的電流。
  • LISN應用到離線的電源供應電路中測量EMI。
  • 選擇50歐姆電阻模擬高頻訊號的輸入阻抗。
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”(propagation wave)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(Differential mode;DM)和共模(Common mode;CM)。差模也稱作
對稱模式(symmetric mode)正常模式(normal mode);而
共模也稱作不對稱模式(asymmetric mode)接地泄漏模式(ground leakage mode)
 
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(stray capacitor)的不當接地所造成的。這也是為何共模也稱作“接地泄漏模式的原因。
 
在圖二中,L是
有作用(Live)相位(Phase)的意思,N是中性(Neutral)的意思,E是安全接地或接地線(Earth wire)的意思;EUT是測試中的設備
(Equipment Under Test)之意思。在E下方,有一個接地符號,它是采用國際電工委員會(International Electrotechnical Commission;IEC)所定義的有保護的接地(Protective Earth)之符號(在接地線的四周有一個圓形),而且有時會以PE來注明。DM雜訊源是透過L和N對偶線,來推(push and pull)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周期而變化的。

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,并透過L或N線路離開。不過,在圖二中的差模電流并沒有包含這個電流。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,若它的基本頻率是電源頻率(line frequency)的兩倍----100或120Hz,它實質上仍是屬于直流,而且不是雜訊;即使它的諧波頻率,超過了標準的傳導式EMI之限制范圍(150 kHz to 30 MHz)。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(filter choke)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。

返回路徑
對雜訊電流而言,真正的返回路徑(return path)是什么呢?

實體的電氣路徑之間的距離,最好是越大越好。因為如果沒有EMI濾波器存在的話,部分的雜訊電流將會透過散布于各地的各種寄生性電容返回。其余部分將透過無線的方式返回,
這就是輻射;由此產生的電磁場會影響相鄰的導體,在這些導體內產生極小的電流。最后,這些極小的返回電流在電源供應輸入端的總和會一直維持零值,因此不會違反Kirchhoff定律—在一封閉電路中,過一節點的電流量之代數和為零。

利用簡單的數學公式,就可以將于L和N線路上所測得的電流,區分為CM電流和DM電流。但是為了避免發生代數計算的錯誤,必須先對電流的“正方向
做一定義。可以假設若電流
由右至左流動,就是正方向,反之則為負方向。此外,必須記住的是:一個電流I若在任一線路中往一個方向流動時,這是等同于I往另一個方向流動的(Kirchhoff定律)。

例如:假設在一條線路(L或N)上,測得一個由右至左流動的電流2μA。并在另一條線路上,測得一個由左至右流動的電流5μA。CM電流和DM電流是多少呢?就CM電路而言,假設
它的E連接到一個大型的金屬接地平面,因此無法測量出流過E的電流值(如果可以測得,那將是簡單的Icm)。這和一般離線的(off-line)電源供應器具有3條(有接地線)或2條(沒有接地線)電線不同,不過,在后續的例子中,我們將會發現對那些接地不明的設備而言,其實它們具有一些泄漏(返回)路徑。

以圖一為例,假設第一次測量的線路是L(若選擇N為首次測量的線路,底下所計算出來的結果也是一樣的)。由此可以導出:
IL = Icm/2 + Idm= 2μA
IN = Icm/2 - Idm= -5μA
求解上面的聯立方程式,可以得出:
Icm = -3μA
Idm = 3.5μA
這表示有一個3μA的電流,流過E(這是共模的定義)。而且,有一個3.5μA的電流在L和N線路中來回流動。

再舉一個例子:假設測得一個2μA的電流在一條線路中由右至左流動,而且在另一條線路中沒有電流存在,此時,CM電流和DM電流為多少?
IL = Icm/2 + Idm= 2μA
IN = Icm/2 - Idm= 0μA
對上面的聯立方程式求解,可得出:
Icm = 2μA
Idm = 1μA

這是「非對稱模式
的例子。從此結果可以看出,“非對稱模式的一部分可以視為“不對稱(CM)模式,而它的另一部分可視為“對稱(DM)模式

傳導式EMI的測量
為了要測量EMI,我們必須使用一個“阻抗穩定網路(Impedance Stabilization Network;ISN)。和ISN類似的LISN已被應用到離線的電源供應電路中,其全名是「線路阻抗穩定網路(Line Impedance Stabilization Network;LISN)或“仿真的主要網路(Artificial Mains Network;AMN)。如圖三所示,那是一個簡易的電路圖。若產品想要通過“國際射頻干擾特別委員會(International Special Committee on Radio Interference;CISPR)所制定的「CISPR 22限制(limits)規定,就必須采用符合CISPR 16規范所定義的LISN;CISPR 16是CISPR 22所參考的標準。

圖三:一個CISPR LISN的簡易電路圖

使用LISN的目的是多重的。它是一個“干凈的
交流電源,將電能供應給電源供應器。接收機或頻譜分析儀可以利用它來讀出測量值。它提供一個穩定的均衡阻抗,即使雜訊是
來自于電源供應器。最重要的是,它允許測量工作可以在任何地點重覆進行。對雜訊源而言,LISN就是它的負載。

假設在此LISN電路中,L和C的值是這樣決定的:
電感L小到不會降低交流的電源電流(50/60Hz);但在期望的頻率范圍內(150 kHz to 30 MHz),它大到可以被視為“開路(open)。電容C小到可以阻隔交流的電源電壓;但在期望的頻率范圍內,它大到變成“短路(short)。上面的敘述(幾乎)是為真的。在圖三中,主要的簡化部分是,纜線或接收機的輸入阻抗已經被包含進去了。將一條典型的同軸纜線連接到一臺測量儀器(分析儀或接收機或示波器…等)時,對一個高頻訊號而言,此纜線的輸入阻抗是50歐姆(因為傳輸線效應)。所以,當接收機正在測量這個訊號時,假設在L和E之間,LISN使用一個“繼電/切換(relay/switch)電路,將實際的50歐姆電阻移往相反的配對線路上,也就是在N和E之間。如此就能使所有的線路在任何時候都能保持均衡,不管是測量VL或VN。

選擇50歐姆是為了要模擬高頻訊號的輸入阻抗,因為高頻訊號所使用的主要導線之阻抗值近似于50歐姆。此外,它可以讓一般的測量工作,在任何地點、任何時間重覆地進行。值
得注意的是,電信設備的通訊埠是使用“阻抗穩定網路,它是使用150歐姆,而不是50歐姆;這是因為一般的「資料線路(data line)之輸入阻抗值近似于150歐姆。
 
為了了解VL和VN,請參考圖四。共模電壓是25Ω乘以流向E的電流值(或者是50Ω乘以Icm/2)。差模電壓是100Ω乘以差模電流。因此,LISN提供下列的負載阻抗給雜訊源(沒有任
何的輸入濾波器存在):
CM負載阻抗是25Ω,DM負載阻抗是100Ω。

當LISN切換時,可以由下式得出雜訊電壓值:

VL=25ХIcm+50ХIdm 或 VN=25ХIcm - 50ХIdm

這是否意味著只要在L-E和N-E上做測量,就可以知道CM和DM雜訊的相對比例大小?

其實,許多人常有這樣的錯誤觀念:“如果來自于電源供應器的雜訊大部分是屬于DM的,則VL和VN的大小將會相等。如果雜訊是屬于CM的,則VL和VN的大小也會相等。但是,如果
CM和DM的輻射大小幾乎相等時,則VL和VN的測量值將不會相同。
如果這樣的觀念正確的話,那就表示即使在一個離線的電源供應器中,L和N線路是對稱的,但L和N線路上的輻射量還是不相等的。在某一個特殊的時間點,兩線路上的個別雜訊大
小可能會不相等,但實際上,射頻能量是以交流的電源頻率,在兩條線路之間「跳躍著,如同工作電流一樣。所以,任何偵測器測量此兩條線路時,只要測量的時間超過數個電壓周期,VL和VN的測量值差異將不會很大的。不過,極小的差異可能會存在,這是因為有各種不同的“不對稱性存在。當然,VL和VN的測量結果必須符合EMI的限制規定。

使用LISN后,就不需要分別測量CM和DM雜訊值,它們是利用上述的代數公式求得的。但有時還是需要各別測量CM和DM雜訊值,譬如:為了排除故障或診斷錯誤。幸好有一些聰明的
方法可以達到各別測量的目的。我們舉兩個例子:
有一種裝置稱作“LISN MATE
,不過,目前已經很少被使用了。它會衰減DM雜訊約50dB,但不會大幅衰減CM雜訊(約僅衰減4dB)。它的電路如圖五所示。

圖六是一種以變壓器為基礎的裝置,它是利用共模電壓無法使變壓器工作的原理;因為本質上需要差動的一次測電壓,才能使變壓器線圈內的磁通量“
擺動(swing)。它不像LISN MATE,此時CM和DM雜訊是一起輸出。不過,上述的兩種方法都需要修改LISN電路。因為一般的LISN只提供VL或VN,無法同時提供這兩者。最好是購買CM和DM雜訊有分離輸出的LISN。此外,也應該要有總和檢視的功能,以確定是否有遵守技術規范的限制。


 

傳導式EMI的限制
對EMI而言,濾波器是做何用途呢?表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制規定。此表中比較特殊的是,除了可用dBμV計量以外,也可以用mV來計量。這對那些討厭使用對數(logarithm)計算的設計者而言很便利。

在對數的定義里:db=20log10[V1/V2] ,V1/V2是輸出入電壓的比值。所以,dBμV表示是以IμV為對數的比較基準。下式是mV轉換成dBμV的公式:

(dBμV)=20Хlog[mV/10-6]

譬如:0.25mV可以透過公式,得出:20log10[0.25Х1,000/1] ≌48 dBμV。

而dBμV轉換成mV的公式如下:

(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3

表一:傳導式EMI的限制
 
必須注意的是,FCC并沒有規定平均的限制值,只規定了“準峰值(quasi-peak)
。雖然,FCC有認可CISPR 22的限制值。但是,FCC不允許兩者混用或并用。設計者必須擇一而從
。不過,以目前的情況來看,FCC Part 15勢必會逐漸和CISPR 22完全一致的。

表二是dBμV與mV的快速轉換對查表,我們可以利用上述的公式來轉換dBμV、mV;或利用表二查得。
 
表二:dBμV與mV的對查表
再觀察一下表一中的類別B,尤其是150 kHz至450 kHz,和450 kHz至500 kHz的區域。實際上,對CISPR而言,這是一個連續的區域,因為dBμV對log(f)的限制線在150 kHz到500 kHz的區域內是一條直線。在150 kHz至500 kHz之間,CISPR均限曲線(傳導式EMI)的任一點之dBμV值可由下式求出:

(dBμVAVG)= -19.07Хlog(?MHZ)+40.28

為了方便計算和記憶,上式可以改寫成:

(dBμVAVG)= -20Хlog(?MHZ)+40

在這個區域內的「準峰值限制
正好比“平均限制高10dB。所以,在150 kHz至500 kHz之間,CISPR準峰值限制曲線(傳導式EMI)的任一點之dBμV值可由下式求出:

(dBμVQP)= -19.07Хlog(?MHZ)+50.28

同樣的,上式也可以改寫成:

(dBμVQP)= -20Хlog(?MHZ)+50
CISPR 22類別B在150 kHz至500 kHz之間的限制值,實際上是上述的化約式。 就數學定義而言,AХlog(?MHZ)+c是一條直線(如果水平軸具有對數刻度),其斜率為A,當頻率(f
)為1MHz時,它通過c點。就CISPR 22類別B而言,雖然它的dBμV直線在500 kHz處被截斷,但是它的漸近線(asymptote)仍會通過40或50dBμV,這分別是「均限曲線和「準峰值限制曲線的c點(亦即,頻率為1MHz時的dBμV值)。

例如:當頻率為300 kHz時,CISPR 22類別B的EMI限制值是多少呢?利用上述的公式,均限值等于:
-19.07Хlog(0.3)+40.28=50.25dBμV

因為準峰值限制比均限值多10 dB,所以它是60.25 dBμV。

比較表一中的準峰值限制,是否意味著當超過450 kHz時,FCC標準會比CISPR 22嚴格?首先,FCC標準是以美國國內的電源電壓為測量基準;而CISPR則是使用更高的電源電壓來測
量。所以這是「淮橘成枳的問題,不能相提并論。此外FCC雖然沒有定義均限值,但是當CISPR 22的準峰值限制和均限值之差超過6 dB以上時,它放寬了限制(約13 dB)。因此,在實務上,符合CISPR標準的產品也會符合FCC的標準。

有人說:“頻率大約在5 MHz以下時,雜訊電流傾向于以差模為主;但在5 MHz以上時,雜訊電流傾向于以共模為主。
不過這種說法缺乏根據。當頻率超過20 MHz時,主要的傳導
式雜訊可能是來自于電感的感應,尤其是來自于輸出纜線的輻射。本質上這是共模。但對一個交換式轉換器而言,這并不是共模雜訊的主要來源。如表一所示,標準的傳導式EMI限制之頻率測量范圍是從150 kHz至30 MHz。為何頻率范圍不再向上增加呢?這是因為到達30 MHz以后,任何傳導式雜訊將會被主要的導線大幅地衰減,而且傳輸距離會變短。但纜線當然還會繼續輻射,因此“輻射限制的范圍實際上是從30MHz到1GHz。

結語
來自電源電路的EMI是很難察覺的。因為工程師都習慣將電源供應器想像成一個“干凈的電源,殊不知,越是習以為常的元件,越可能是會發射EMI的“黑盒子
 
 
 

 

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