共模辐射技术分析及其抑制

南车株洲电力机车研究所有限公司 陈旭鸿 刘学全

1.引言

辐射发射是电子/电气设备需要满足的标准EMC测试项目之一，从其发射机理上看，可划分为差模辐射和共模辐射。我们知道，差模辐射来自于电路的正常工作以及沿电路中的导体所形成的环路流动的电流；而共模辐射来自于电路的寄生参数以及在导体中产生的不期望的电压降。

共模辐射最常见的形式是系统的电缆构成的共模发射，其辐射频率由共模电势(通常是地电压)决定(如图1所示)，跟电缆传输的有用信号没什么关系。为了帮助工程师深入理解共模辐射的成因和辐射机理，本文将结合理论分析与工程设计，梳理有关概念，为工程师提供有价值的设计参考。

2.共模辐射的理论分析

EMC测量普遍遇到的困扰是，当设备不连接输入/输出线缆时辐射的噪声较小，但接上线缆后辐射噪声在某些频段将显著增大，有时可达10～20dB。相关实验也证明辐射噪声的增大与外接线缆终端是否接负载无关，即与是否有差模负载电流无关，由此可见这是共模电流的辐射问题。

2.1 共模辐射的电流驱动模式

当差模电流流经接地阻抗时，在数字系统内会产生电压降，如果有电缆被连接到数字系统，则电缆将受该共模地电势驱动，形成天线，它产生的辐射主要是电场，如图1所示。因为这些寄生阻抗并非系统的有意设计，所以共模辐射很难理解和控制。这种辐射模式是所谓的电流驱动模式，驱动的天线相当于不对称振子天线。

图1 电缆产生的共模辐射-电流驱动模式

这种共模发射可采用被噪声电压(接地电压)驱动的偶极子(或单极子)天线(如电缆)来模拟。对于长度为1的短偶极子天线，在距离源为r的远场测量的电场强度可用(1-1)(Ba1anis，1982)表示。

式中的E单位是V/m，f单位是Hz，I是电缆(天线)上的共模电流，单位为A，r的单位是m，θ是被观测天线的轴的角度，最大场强时，θ=90°，与天线的轴垂直。

(1-1)式对于电流分布一致的理想偶极子天线有效。理想偶极子天线上的电流分布均匀一致，处处等幅同相，但对于非理想的天线，在其开路末端，电流趋近于零。但对于小天线，电流分布在天线长度上呈线性，因此天线的平均电流仅为最大电流的一半。

假设观察距离为r，与天线轴垂直(θ=90°)，采用MKS单位制，那么式(1-1)可改写为如下所示。

(1-2)式表明，共模辐射与频率、天线长度和共模电流的大小成正比。最小化辐射的主要方法是限制共模电流，因为这是电路的正常工作所不需要的。

因此，根据此公式，共模辐射可通过以下几种方法来进行控制：(1)减小共模电流的大小；(2)减小电流谐波分量的频率；(3)减小天线(或电缆)的长度。

图2是共模辐射发射的频谱包络，它表明共模发射是一个低频问题。如果干扰噪声电流的上升沿时间为1～10ns，那么大多数共模辐射发射可能产生在30～300MHz频率段。

图2 共模辐射发射频谱包络图

经过差模电流辐射与共模电流辐射的比较，可以得出这样的结果——相同大小的共模电流所产生的辐射场是差模电流的3个数量级。

对于长电缆(1＞λ/4)，上述公式不再适用，需要采用经过修正的(1-4)。

是共模电流，r是单位为m的测量距离。

可以看出，对于长电缆，共模辐射发射包络不再是电缆长度和频率的函数，仅是电缆中共模电流的函数。

2.2 共模辐射的电压驱动模式

共模辐射还有一种所谓的电压驱动模式，其原理如图3所示，图中的差模电压源直接驱动发射天线的两个部分，即上金属部分和下金属部分，从而产生共模辐射。共模辐射电流可表示如下：

式中的为上下两部分金属部件之间的分布电容。

图3 电压驱动的共模辐射

电压驱动模式的共模辐射相对较少，对产品的辐射发射很少起决定性作用，本文不再进行深入分析。

2.3 共模辐射产生的条件

根据以上分析，共模辐射产生的条件有两点：1)有共模驱动源；2)有共模天线。任何两个金属体之间只要存在RF电位差就可构成一副不对称振子天线，两个金属体分别是振子天线的两极，RF电位差为共模驱动源，它通过不对称振子天线间的空间辐射电磁能量。

当系统的工作频率达到MHz级时，nH级的小电感和pF级的小电容都将产生重要影响。两个导体连接处的小电感就会产生RF电位差。没有物理连接点的金属体也可能通过小电容变成天线的一部分。

一般而言，共模辐射天线一极必定是设备的外部连接线缆，另一极可以是设备内PCB的地线、电源平面、设备外壳、散热片、安装金属支架等。而且，当天线的两极总长度大于λ／20时，天线的辐射发射才可能有效。当天线长度与驱动源谐波的波长满足1＝nλ／20(n＝1，2，3，…)时，天线产生谐振，辐射能量最大。

天线总长度确定时，源在天线上的位置是天线辐射能量的决定性因素。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。

3.共模辐射发射的抑制技术

在产品设计中，电缆的长度取决于互联距离的需要，也不是EMC工程师的可控范围。而且，电缆长度超过1/4波长后，因为失相电流的存在，共模辐射与它的长度不再相关。因此，只有共模电流的大小完全是设计师可以控制的因素。

电缆上的净共模电流可以采用以下几种技术来进行控制：

(1)最小化共模源的电压，即地电势；

(2)提供大的共模阻抗与电缆串联，如扼流圈；

(3)分流共模电流；

(4)屏蔽电缆；

(5)隔离电缆与PCB的地，例如变压器或光耦合器。

共模抑制技术的本质要求是能够影响共模电流但不影响有用的差模信号。在过去，I/O信号的频率比较低，这一条很容易做到，但在数字电路高速化的今天，这一要求就显得更加复杂了。

3.1 共模电压的控制

控制共模辐射的第一步是使驱动电缆(天线)的共模电压最小，通常这一要求意味着最小化地阻抗。使用地平面和地网是非常有效的方法，而且，避免地平面的开槽是再重要不过的要求。

电路地和外壳(机箱)在何处和如何连接也是决定共模电压大小的重要条件，电路与底板(外壳)之间的接地连接距离电缆在PCB端接的位置越远，这两点之间的噪声电压越大。我们知道，外部电缆的共模电流的参考或回路平面是设备的外壳，如图6-A所示。PCB上I/O区的电路地应与外壳处于同一电势，为了实现这一点，这两点在I/O区应连接在一起。为了起到作用，连接的阻抗(电感)必须在所有的频率上都足够低，所以通常需要多点连接。

有时，即使地电压已经很小了，但还不足以控制共模辐射发射，所以往往需要结合其他共模辐射抑制技术。

3.2 电缆的滤波与屏蔽

通过控制地电压不能有效减小共模电流的情况下，就必须使用一些形式的滤波消除电缆上的共模噪声，或者使用屏蔽电缆的方法消减电缆产生的辐射。

电缆的屏蔽和端接本文不进行论述，就其对电缆屏蔽效能的影响仅采用图4进行说明。

图4 电缆的屏蔽端接对共模电流的影响

图4中A没有采用屏蔽电缆，在非屏蔽电缆上共模噪声电压驱动共模电流。该电流不回流到电缆，而是通过电缆与设备外壳之间的分布电容C回流到共模源，这样就会产生共模辐射发射，它的共模辐射发射可用公式(1-2)计算。

图4中B采用屏蔽电缆，并使用了360°的端接处理。共模噪声电压仍驱动共模电流，但在电缆的中心导体上。电缆的屏蔽消除了设备外壳与电缆中心导线之间的分布电容，共模电流现通过中心导线与屏蔽层之间的分布电容流动，并沿电缆屏蔽层的内表面回流，电缆上的净共模电流为零，无电缆引起的共模辐射发射，但其效果取决于端接处理。

图4中C采用了屏蔽电缆，但没有端接电缆屏蔽层，共模电压仍驱动共模电流出现在电缆的中心导线上，屏蔽层消除了中心导线与外壳之间的分布电容，共模电流流经中心导线与屏蔽层之间的分布电容，从电缆屏蔽层内表面回流，就这一点而言，C与B类似，但因为电缆屏蔽层没有端接，共模电流不能从设备外壳回流到源，迫使其沿着屏蔽层外表面，经与外壳之间的分布电容C，再回流到共模源。如果测量电缆上的共模电流，将等于，辐射发射可由公式(1-3)计算，其辐射发射结果与A相同。

图4中D将电缆屏蔽层以“猪尾巴”方式连接到设备外壳，它的共模电流分析与C类似，但在A点出现电流分流，部分电流流向电缆屏蔽层外表面，而部分电流通过电缆屏蔽层外侧与设备外壳之间的分布电容，剩下的电流经由“猪尾巴”回到外壳。中心导线上的电流和屏蔽层内表面上的电流相互抵消，最终成为“净共模电流”，其辐射发射可用公式(1-3)计算。“猪尾巴”越长，连接的阻抗越大，就越大，辐射发射也越大。就D而言，屏蔽层外表面的电流路径是容性的，而“猪尾巴”连接的电流路径是感性的，如果共模电流是方波，那么更高的频率分量将经由屏蔽层外表面，而更低的频率分量经由“猪尾巴”。

图4中E将电缆屏蔽层端接到了PCB电路地，使屏蔽电缆变成了非屏蔽电缆。共模电压Vcm激励屏蔽层，驱动共模电流Icm流经屏蔽层，屏蔽层的作用与A中的非屏蔽电缆相同。就实际设计来说，I/O连接器多数装在PCB上，为了避免出现这种导致屏蔽效能下降的情况，连接器的外壳必须360°与外壳接触，如图5所示。

图5 连接器与外壳360°导电连接

4.设计阶段共模辐射问题的对策

在设计阶段，及早针对共模辐射问题进行设计考虑是提高产品开发效率的关键条件。

如图6所示，使用钳式高频电流探头和频谱分析仪(或EMI接收机)可以对电缆上的共模电流进行测量。由于在大多数产品中，共模发射是辐射发射的最主要部分，所以这里测量的共模电流决定着产品的最大发射。

图6 共模电流的测量

测量的共模电流结果对产品设计的意义在于：1)比较或确定各种不同共模辐射发射抑制技术的效果(在第1部分可供选择的控制手段)，决定最终设计方案；2)与相关标准限值倒推的最大允许共模电流值进行对比，确定是否可以满足该标准的要求，这是在产品的预测试阶段发现问题和解决问题的可选方案。

由EMC标准限值倒推的最大允许共模电流可按照以下方法进行。由公式(1-2)求解共模电流I，可得：

式中电流I的单位是μA，电场强度E的单位是μV/m，频率f的单位是MHz，距离r和电缆长度1的单位是m。

表1列出了1m长电缆的共模辐射满足相关标准辐射发射限值且频率为50MHz时的近似最大允许共模电流。

表1 1m长电缆50MHz时的最大允许共模电流

5.结语

电子/电气设备内的共模辐射是影响其EMC性能的关键因素，只有充分理解其本质及其控制条件，才能通过合理的电路、电缆、结构的相关设计减小或避免共模电流的产生或影响，从而满足相关EMC标准的要求。共模辐射的天线效应可以使用共模滤波、光耦合器或电缆屏蔽等方法在“天线”上采取措施，但最根本的还是应该在PCB设计、元器件布局和线缆的敷设、端接等方面切入，抑制共模骚扰源的产生。而在设备的设计阶段就考虑共模辐射问题，并采取有效的设计手段，是保障产品EMC性能的最佳策略。

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