差模電流和共模電流

理解和解決EMC問題的關(guān)鍵是理解電流的流動(dòng)。電流沿環(huán)路流動(dòng)，但對(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)員來說，忘記這個(gè)重要事實(shí)的情況并不少見。他們通常處理的電壓，大多是如一個(gè)門電路輸入給另外一個(gè)門電路這樣的情況。繪制電路原理圖時(shí)使用一個(gè)或多個(gè)接地符號(hào)用于表示信號(hào)回路或電源回路。這通常被稱為“隱藏的電路原理圖”。回路如何進(jìn)行布線、定義及如何回到電源，對(duì)于這些方面通常都沒有給出指導(dǎo)或考慮。當(dāng)電路板的返回層由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行布線或由CAD軟件自動(dòng)布線時(shí)，經(jīng)常就會(huì)出現(xiàn)問題，即許多與電路板相關(guān)的EMI問題。然而，通過理解明白返回電流是如何返回到其電源的，并確保返回路徑為低阻抗的，可以進(jìn)一步解決問題，但對(duì)于EMI問題的徹底成功解決仍還有很長(zhǎng)的路要走。

首先，考慮電流是如何流動(dòng)的。在低頻時(shí)(50kHz以下)，返回電流通常沿著電阻最小的路徑流動(dòng)。在高頻時(shí)(50kHz以上)返回電流通常沿著阻抗最小的路徑流動(dòng)。請(qǐng)注意，這兩個(gè)概念并不相同。電阻最小的路徑取決于返回路徑上導(dǎo)體的材料性能及從電源到負(fù)載的距離，即返回電流以直接路徑流回到電源。阻抗最小的路徑取決于印制線與返回路徑之間的感性效應(yīng)和容性效應(yīng)，這會(huì)使返回電流在信號(hào)(或電源)印制線的下面直接流動(dòng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在較高頻率，信號(hào)電流路徑的自感最小，儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量和路徑阻抗也最小，這通常會(huì)使輸出電流和返回電流之間的物理空間(或環(huán)路面積)最小。此概念將在本書第2章進(jìn)行詳細(xì)講述。

通過觀察變壓器是如何進(jìn)行工作，能更容易地理解上述概念，如圖1.2所示。當(dāng)交變電流(AC)或高頻電流在變壓器的一個(gè)繞組上流動(dòng)時(shí)，通過與相鄰繞組的磁場(chǎng)耦合，會(huì)在另外一個(gè)繞組上產(chǎn)生一個(gè)方向相反的電流。當(dāng)電流通過導(dǎo)體或印制電路層時(shí)，它們的工作原理與電流在電路印制線中流動(dòng)時(shí)的工作原理相同。這方面的詳細(xì)討論見本書第2章。

接下來考慮一個(gè)概念:什么是電流通常稱為差模(DiferentialMode，DM)電流或差分電流。它們就是從電源到負(fù)載然后再?gòu)呢?fù)載回到電源的信號(hào)電流或電源電流。DM電流沿著環(huán)路流動(dòng)，從電源到負(fù)載的輸出電流以及從負(fù)載回到電源的返回電流。這兩條路徑靠得越近，產(chǎn)生的自感應(yīng)磁場(chǎng)就越小，這將會(huì)減小與其他導(dǎo)線、印制線或申路的耦合。當(dāng)迫使電源、信號(hào)印制線或?qū)Ь€與其返回路徑相遠(yuǎn)離時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的環(huán)路，如圖1.3所示，這種情況下就會(huì)出現(xiàn)問題。環(huán)路越大，產(chǎn)生的輻射磁場(chǎng)就越大，反之，這也更易于接收其他磁場(chǎng)源產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這就會(huì)將干擾引人這些電路。

幸運(yùn)的是，通常使用的是返回層或參考層，也經(jīng)常被錯(cuò)誤地稱為接地層。正如上述已指出的，返回層或參考層上的印制線會(huì)與其下面的返回路產(chǎn)生直接的感性耦合。具有本地耦合返回路徑的印制線能使其和返回路徑之間的閉環(huán)面積最小，從而使印制線產(chǎn)生的發(fā)射最小，以及使電路對(duì)外界干擾的敏感度最低。然而，當(dāng)對(duì)PCB進(jìn)行布線時(shí)，如果信號(hào)電流路徑和返回電流路徑之間相距若干層或在返回層或參考層上存在孤島或切口，那么參考層將會(huì)失去其所有優(yōu)點(diǎn)。

DM電流流過的路徑與共模(CommonMode，CM)電流流過的路徑不同。CM電流的不同之處在于它們沿著信號(hào)電路(或信號(hào)路徑和返回電路(或返回路徑)流動(dòng)時(shí)的方向相同。它們的值通常也是非常小的，為微安級(jí)。一個(gè)很好理解DM電流和CM電流的方法是，各DM電流(數(shù)字信號(hào))要求專用的返回路徑才能工作，而各CM電流要求提供返回路徑就可以(共用)。如果沒有為CM信號(hào)提供返回路徑，那么它將會(huì)自己尋找，這極可能會(huì)形成一個(gè)很大的閉環(huán)面積，從而產(chǎn)生強(qiáng)的輻射發(fā)射!

考慮兩個(gè)子系統(tǒng)的情況(電路1和電路2)，如圖1.4所示。子系統(tǒng)可以是兩個(gè)集成電路(Integrated Circuit，IC)或兩塊電路板，它們具有共同的返回/參考路徑。如果返回路徑為一層，那么兩個(gè)子系統(tǒng)之間的阻抗將是非常小的，為毫歐級(jí)。即便如此，如果在返回路徑的兩個(gè)點(diǎn)之間進(jìn)行測(cè)量，也會(huì)存在很小的電壓，這是由EM場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的不同電流流過這些小的阻抗產(chǎn)生的。如果這兩點(diǎn)之間存在電壓降，那么它們之間肯定存在電流。正是這個(gè)小電流產(chǎn)生了CM電流，其在信號(hào)路徑和信號(hào)返回路徑上的流動(dòng)方向相同。這種情況也經(jīng)常出現(xiàn)在與產(chǎn)品相連接的 I/O電纜上，這極可能是輻射發(fā)射產(chǎn)生超標(biāo)的原因。

產(chǎn)生CM電流的其他方法還包括利用電壓源，其可能與機(jī)殼產(chǎn)生容性耦合，如通過電源的散熱片。開關(guān)裝置與外殼之間的電壓能在整個(gè)電路中產(chǎn)生CM電流，對(duì)于這種情況，必須在外殼上找一個(gè)連接讓CM電流流回到電源。對(duì)于與外殼沒有任何交流連接的孤立電源，這將會(huì)使所有的電源和互連電纜都產(chǎn)生輻射，應(yīng)盡力讓這種電能返回到外殼，然后返回到電源。如果返回層上存在被忽視的槽或縫隙而迫使返回電流流過較長(zhǎng)的路徑，或者如果高頻信號(hào)電路的電源或負(fù)載間被忽視的阻抗匹配很差，那么也會(huì)產(chǎn)生CM電流。

由于CM 信號(hào)與其返回路徑之間的距離很大，那么與DM的相比，CM 噪聲能產(chǎn)生更有效的輻射。一些仿真模型表明，根據(jù)頻率和電流回路的幾何形狀，CM電流產(chǎn)生的輻射能量效率更高，為DM輻射的10'倍。至少可以說，1uA的CM電流產(chǎn)生的輻射能量相當(dāng)于1mA的DM電流產(chǎn)生的輻射能量。