「?jìng)鲗?dǎo)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互連界面，形成「?jìng)鲗?dǎo)波（propagation wave）」被傳送出去,。本文將說明射頻能量經(jīng)由電源線傳送時(shí),，所產(chǎn)生的「?jìng)鲗?dǎo)式噪聲」對(duì)PCB的影響，以及如何測(cè)量「?jìng)鲗?dǎo)式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制規(guī)定,。
差模和共模噪聲
「?jìng)鲗?dǎo)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(duì)稱模式（symmetric mode）」或「正常模式（normal mode）」,；而共模也稱作「不對(duì)稱模式（asymmetric mode）」或「接地泄漏模式（ground leakage mode）」。
由EMI產(chǎn)生的噪聲也分成兩類：差模噪聲和共模噪聲,。簡(jiǎn)言之,，差模噪聲是當(dāng)兩條電源供應(yīng)線路的電流方向互為相反時(shí)發(fā)生的，如圖1(a)所示,。而共模噪聲是當(dāng)所有的電源供應(yīng)線路的電流方向相同時(shí)發(fā)生的,，如圖1(b)所示。一般而言,，差模訊號(hào)通常是我們所要的,，因?yàn)樗艹休d有用的數(shù)據(jù)或訊號(hào)；而共模訊號(hào)（噪聲）是我們不要的副作用或是差模電路的「副產(chǎn)品」,，它正是EMC的最大難題,。從圖一中，可以清楚發(fā)現(xiàn),，共模噪聲的發(fā)生大多數(shù)是因?yàn)椤鸽s散電容（stray capacitor）」的不當(dāng)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）」或「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(cè)試中的設(shè)備（Equipment Under Test）」之意思。在E下方,，有一個(gè)接地符號(hào),，它是采用「國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission；IEC）」所定義的「有保護(hù)的接地（Protective Earth）」之符號(hào)（在接地線的四周有一個(gè)圓形）,，而且有時(shí)會(huì)以「PE」來注明,。DM噪聲源是透過L和N對(duì)偶線，來推挽（push and pull）電流Idm,。因?yàn)橛蠨M噪聲源的存在,，所以沒有電流通過接地線路。噪聲的電流方向是根據(jù)交流電的周期而變化的,。
電源供應(yīng)電路所提供的基本的交流工作電流,，在本質(zhì)上也是差模的。因?yàn)樗鬟M(jìn)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(gè)電流。這是因?yàn)楣ぷ麟娏麟m然是差模的,，但它不是噪聲,。另一方面，對(duì)一個(gè)電流源（訊號(hào)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(shí)質(zhì)上仍是屬于「直流的」，而且不是噪聲,；即使它的諧波頻率,，超過了標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)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(huì)嚴(yán)重影響EMI濾波器的效能,。這時(shí)，當(dāng)使用外部的電流探針來量測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),，很可能因此造成測(cè)量誤差,。
圖一：差模和共模噪聲
圖二：差模和共模噪聲電路
CM噪聲源有接地，而且L和N線路具有相同的阻抗Z,。因此,，它驅(qū)動(dòng)相同大小的電路通過L和N線路。不過,，這是假設(shè)兩者的阻抗大小相等,。可以清楚地觀察出,，假使雙方的阻抗不均衡（unbalanced）,，「不對(duì)稱的」共模電流將分布在L和N線路上。這似乎是「用詞不當(dāng)」或與原定義不符,，因?yàn)镃M本來又稱作「不對(duì)稱模式」,。為了避免混淆，此時(shí)的模式應(yīng)該稱作「非對(duì)稱（nonsymmetric）模式」,，好和「不對(duì)稱模式」做區(qū)分,。在大多數(shù)的電源供應(yīng)電路中，在這個(gè)模式下所發(fā)出的EMI是最多的,。
利用不等值的負(fù)載或線路阻抗,，就能夠有效地將CM電流轉(zhuǎn)換成一部分是CM電流,，另一部分是DM電流。例如：一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器（converter）供應(yīng)電源給一個(gè)次系統(tǒng),，此次系統(tǒng)具有不等值（不均衡）的阻抗,。而且在DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端存在著尚未被察覺的共模噪聲，它變成一個(gè)非常真實(shí)的（差動(dòng)）輸入電壓漣波,，并施加給次系統(tǒng),。沒有次系統(tǒng)內(nèi)建的「共模拒斥率（common mode rejection ratio；CMRR）」可以參考,，因?yàn)榇嗽肼暡煌耆枪材５?。到最后，此次系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤,。所以,，在產(chǎn)生共模電流時(shí)，就要馬上降低它的大小,，這是非常重要的,，是第一要?jiǎng)?wù)。
使阻抗均衡則是第二要?jiǎng)?wù),。此外,，由于共模和差模的特性，共模電流的頻率會(huì)比差模的頻率大,。因此,，共模電流會(huì)產(chǎn)生很大的射頻輻射。而且,，會(huì)和鄰近的組件和電路發(fā)生電感性與電容性的耦合,。通常，一個(gè)5uA的共模電流在一個(gè)1m長(zhǎng)的導(dǎo)線中,，所產(chǎn)生的射頻輻射量會(huì)超過FCC所規(guī)范的B類限定值,。FCC的A類規(guī)范限制共模電流最多只能有15uA。此外,，最短的交流電源線,，依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是1m,，所以電源線的長(zhǎng)度不能比1m短,。
在一個(gè)真實(shí)的電源供應(yīng)電路里，差模噪聲是被一個(gè)「擺動(dòng)電流（swinging current）」,，或「脈沖電流（pulsating current）」啟動(dòng)的,。但是，DM噪聲源很像是一個(gè)電壓源,。另一方面,，共模噪聲是被一個(gè)「擺動(dòng)電壓（swinging voltage）」啟動(dòng)的。但CM噪聲源的行為卻比較像是一個(gè)電流源，這使得共模噪聲更難被消除,。它和所有的電流源一樣,，需要有一個(gè)流動(dòng)路徑存在。因?yàn)樗穆窂桨妆P（chassis）,，所以外殼可能會(huì)變成一個(gè)大型的高頻天線,。
返回路徑
對(duì)噪聲電流而言，真正的返回路徑（return path）是什么呢,？
實(shí)體的電氣路徑之間的距離,，最好是越大越好。因?yàn)槿绻麤]有EMI
濾波器存在的話,，部分的噪聲電流將會(huì)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(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)影響相鄰的導(dǎo)體,，在這些導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生極小的電流。最后,，這些極小的返回電流在電源供應(yīng)輸入端的總和會(huì)一直維持零值,，因此不會(huì)違反「Kirchhoff定律」—在一封閉電路中，過一節(jié)點(diǎn)的電流量之代數(shù)和為零,。
利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式,，就可以將于L和N線路上所測(cè)得的電流，區(qū)分為CM電流和DM電流,。但是為了避免發(fā)生代數(shù)計(jì)算的錯(cuò)誤,，必須先對(duì)電流的「正方向」做一定義?？梢约僭O(shè)若電流由右至左流動(dòng),，就是正方向，反之則為負(fù)方向,。此外,，必須記住的是：一個(gè)電流I若在任一線路中往一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)，這是等同于I往另一個(gè)方向流動(dòng)的（Kirchhoff定律）,。
例如：假設(shè)在一條線路（L或N）上,，測(cè)得一個(gè)由右至左流動(dòng)的電流2μA。并在另一條線路上,，測(cè)得一個(gè)由左至右流動(dòng)的電流5μA,。CM電流和DM電流是多少呢？就CM電路而言,，假設(shè)它的E連接到一個(gè)大型的金屬接地平面,，因此無法測(cè)量出流過E的電流值（如果可以測(cè)得,，那將是簡(jiǎn)單的Icm）。這和一般離線的（off-line）電源供應(yīng)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(xù)的例子中，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)那些接地不明的設(shè)備而言,，其實(shí)它們具有一些泄漏（返回）路徑,。
以圖一為例，假設(shè)第一次測(cè)量的線路是L（若選擇N為首次測(cè)量的線路,，底下所計(jì)算出來的結(jié)果也是一樣的）,。由此可以導(dǎo)出：
IL = Icm/2 + Idm= 2μA
IN = Icm/2 - Idm= -5μA
求解上面的聯(lián)立方程式，可以得出：
Icm = -3μA
Idm = 3.5μA
這表示有一個(gè)3μA的電流,，流過E（這是共模的定義）,。而且，有一個(gè)3.5μA的電流在L和N線路中來回流動(dòng),。
再舉一個(gè)例子：假設(shè)測(cè)得一個(gè)2μA的電流在一條線路中由右至左流動(dòng),，而且在另一條線路中沒有電流存在，此時(shí),，CM電流和DM電流為多少,？
IL = Icm/2 + Idm= 2μA
IN = Icm/2 - Idm= 0μA
對(duì)上面的聯(lián)立方程式求解，可得出：
Icm = 2μA
Idm = 1μA
這是「非對(duì)稱模式」的例子,。從此結(jié)果可以看出,，「非對(duì)稱模式」的一部分可以視為「不對(duì)稱（CM）模式」，而它的另一部分可視為「對(duì)稱（DM）模式」,。
傳導(dǎo)式EMI的測(cè)量
為了要測(cè)量EMI,，我們必須使用一個(gè)「阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（Impedance Stabilization Network；ISN）」,。和ISN類似的LISN已被應(yīng)用到離線的電源供應(yīng)電路中,，其全名是「線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（Line Impedance Stabilization Network；LISN）」或「仿真的主要網(wǎng)絡(luò)（Artificial Mains Network,；AMN）」,。如圖三所示，那是一個(gè)簡(jiǎn)易的電路圖,。若產(chǎn)品想要通過「國(guó)際射頻干擾特別委員會(huì)（International Special Committee on Radio Interference,；CISPR）」所制定的「CISPR 22限制（limits）」規(guī)定，就必須采用符合CISPR 16規(guī)范所定義的LISN,；CISPR 16是CISPR 22所參考的標(biāo)準(zhǔn),。
圖三：一個(gè)CISPR LISN的簡(jiǎn)易電路圖
使用LISN的目的是多重的。它是一個(gè)「干凈的」交流電源,，將電能供應(yīng)給電源供應(yīng)器,。 接收機(jī)或頻譜分析儀可以利用它來讀出測(cè)量值。它提供一個(gè)穩(wěn)定的均衡阻抗,，即使噪聲是來自于電源供應(yīng)器,。最重要的是，它允許測(cè)量工作可以在任何地點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行,。對(duì)噪聲源而言,，LISN就是它的負(fù)載。
假設(shè)在此LISN電路中,，L和C的值是這樣決定的：
電感L小到不會(huì)降低交流的電源電流（50/60Hz）,；但在期望的頻率范圍內(nèi)（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(nèi)，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(jiǎn)化部分是,，纜線或接收機(jī)的輸入阻抗已經(jīng)被包含進(jìn)去了,。將一條典型的同軸纜線連接到一臺(tái)測(cè)量?jī)x器（分析儀或接收機(jī)或示波器…等）時(shí)，對(duì)一個(gè)高頻訊號(hào)而言,，此纜線的輸入阻抗是50奧姆（因?yàn)閭鬏斁€效應(yīng)）,。所以，當(dāng)接收機(jī)正在測(cè)量這個(gè)訊號(hào)時(shí),，假設(shè)在L和E之間,，LISN使用一個(gè)「繼電/切換（relay/switch）電路」，將實(shí)際的50奧姆電阻移往相反的配對(duì)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(shí)候都能保持均衡，不管是測(cè)量VL或VN,。
選擇50奧姆是為了要仿真高頻訊號(hào)的輸入阻抗,，因?yàn)楦哳l訊號(hào)所使用的主要導(dǎo)線之阻抗值近似于50奧姆。此外,，它可以讓一般的測(cè)量工作,，在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間重復(fù)地進(jìn)行,。值得注意的是,，電信設(shè)備的通訊端口是使用「阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)」，它是使用150奧姆,，而不是50奧姆,；這是因?yàn)橐话愕摹笖?shù)據(jù)線路（data line）」之輸入阻抗值近似于150奧姆,。
圖四：對(duì)DM和CM噪聲源而言，LISN所代表的負(fù)載阻抗
為了了解VL和VN,，請(qǐng)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(fù)載阻抗給噪聲源（沒有任何的輸入濾波器存在）：
CM負(fù)載阻抗是25Ω，DM負(fù)載阻抗是100Ω,。
當(dāng)LISN切換時(shí),，可以由下式得出噪聲電壓值：
VL=25ХIcm+50ХIdm 或 VN="25"ХIcm - 50ХIdm
這是否意味著只要在L-E和N-E上做測(cè)量，就可以知道CM和DM噪聲的相對(duì)比例大??？
其實(shí)，許多人常有這樣的錯(cuò)誤觀念：「如果來自于電源供應(yīng)器的噪聲大部分是屬于DM的,，則VL和VN的大小將會(huì)相等,。如果噪聲是屬于CM的，則VL和VN的大小也會(huì)相等,。但是,，如果CM和DM的輻射大小幾乎相等時(shí)，則VL和VN的測(cè)量值將不會(huì)相同,?！?/p>
如果這樣的觀念正確的話，那就表示即使在一個(gè)離線的電源供應(yīng)器中,，L和N線路是對(duì)稱的,，但L和N線路上的輻射量還是不相等的。在某一個(gè)特殊的時(shí)間點(diǎn),，兩線路上的個(gè)別噪聲大小可能會(huì)不相等,，但實(shí)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(cè)器測(cè)量此兩條線路時(shí),，只要測(cè)量的時(shí)間超過數(shù)個(gè)電壓周期，VL和VN的測(cè)量值差異將不會(huì)很大的,。不過,，極小的差異可能會(huì)存在，這是因?yàn)橛懈鞣N不同的「不對(duì)稱性」存在。當(dāng)然,，VL和VN的測(cè)量結(jié)果必須符合EMI的限制規(guī)定,。
使用LISN后，就不需要分別測(cè)量CM和DM噪聲值,，它們是利用上述的代數(shù)公式求得的,。但有時(shí)還是需要各別測(cè)量CM和DM噪聲值,，譬如：為了排除故障或診斷錯(cuò)誤,。幸好有一些聰明的方法可以達(dá)到各別測(cè)量的目的。我們舉兩個(gè)例子：
有一種裝置稱作「LISN MATE」,，不過,，目前已經(jīng)很少被使用了。它會(huì)衰減DM噪聲約50dB,，但不會(huì)大幅衰減CM噪聲（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(chǔ)的裝置,，它是利用共模電壓無法使變壓器工作的原理,；因?yàn)楸举|(zhì)上需要差動(dòng)的一次測(cè)電壓，才能使變壓器線圈內(nèi)的磁通量「擺動(dòng)（swing）」,。它不像LISN MATE,，此時(shí)CM和DM噪聲是一起輸出。
不過,，上述的兩種方法都需要修改LISN電路,。因?yàn)橐话愕腖ISN只提供VL或VN，無法同時(shí)提供這兩者,。最好是購(gòu)買CM和DM噪聲有分離輸出的LISN,。此外，也應(yīng)該要有總和檢視的功能,，以確定是否有遵守技術(shù)規(guī)范的限制,。
圖五：LISN MATE
圖六：CM和DM分離器
傳導(dǎo)式EMI的限制
對(duì)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(guī)定,。此表中比較特殊的是，除了可用dBμV計(jì)量以外,，也可以用mV來計(jì)量,。這對(duì)那些討厭使用對(duì)數(shù)（logarithm）計(jì)算的設(shè)計(jì)者而言很便利。
在對(duì)數(shù)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(duì)數(shù)的比較基準(zhǔn),。下式是mV轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成mV的公式如下：
(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3
表一：傳導(dǎo)式EMI的限制
必須注意的是，F(xiàn)CC并沒有規(guī)定平均的限制值,，只規(guī)定了「準(zhǔn)峰值（quasi-peak）」,。雖然，F(xiàn)CC有認(rèn)可CISPR 22的限制值,。但是,，F(xiàn)CC不允許兩者混用或并用。設(shè)計(jì)者必須擇一而從,。不過,，以目前的情況來看，F(xiàn)CC Part 15勢(shì)必會(huì)逐漸和CISPR 22完全一致的,。
表二是dBμV與mV的快速轉(zhuǎn)換對(duì)查表,，我們可以利用上述的公式來轉(zhuǎn)換dBμV、mV,；或利用表二查得,。
表二：dBμV與mV的對(duì)查表
再觀察一下表一中的類別B，尤其是150 kHz至450 k
Hz,，和450 kHz至500 kHz的區(qū)域,。實(shí)際上，對(duì)CISPR而言,，這是一個(gè)連續(xù)的區(qū)域,，因?yàn)閐BμV對(duì)log(f)的限制線在150 kHz到500 kHz的區(qū)域內(nèi)是一條直線。在150 kHz至500 kHz之間,，CISPR均限曲線（傳導(dǎo)式EMI）的任一點(diǎn)之dBμV值可由下式求出：
(dBμVAVG)= -19.07Хlog(?MHZ)+40.28
為了方便計(jì)算和記憶,，上式可以改寫成：
(dBμVAVG)= -20Хlog(?MHZ)+40
在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的「準(zhǔn)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(zhǔn)峰值限制曲線（傳導(dǎo)式EMI）的任一點(diǎn)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(shí)際上是上述的化約式,。 就數(shù)學(xué)定義而言，AХlog(?MHZ)+c是一條直線（如果水平軸具有對(duì)數(shù)刻度）,，其斜率為A,，當(dāng)頻率（f）為1MHz時(shí)，它通過c點(diǎn),。就CISPR 22類別B而言,，雖然它的dBμV直線在500 kHz處被截?cái)啵撬臐u近線（asymptote）仍會(huì)通過40或50dBμV，這分別是「均限曲線」和「準(zhǔn)峰值限制曲線」的c點(diǎn)（亦即,，頻率為1MHz時(shí)的dBμV值）,。
例如：當(dāng)頻率為300 kHz時(shí)，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?yàn)闇?zhǔn)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(zhǔn)峰值限制,，是否意味著當(dāng)超過450 kHz時(shí)，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比CISPR 22嚴(yán)格,？首先,，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)是以美國(guó)國(guó)內(nèi)的電源電壓為測(cè)量基準(zhǔn),；而CISPR則是使用更高的電源電壓來測(cè)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(dāng)CISPR 22的準(zhǔn)峰值限制和均限值之差超過6 dB以上時(shí)，它放寬了限制（約13 dB）,。因此,，在實(shí)務(wù)上，符合CISPR標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品也會(huì)符合FCC的標(biāo)準(zhǔn),。
有人說：「頻率大約在5 MHz以下時(shí),，噪聲電流傾向于以差模為主；但在5 MHz以上時(shí),，噪聲電流傾向于以共模為主,。」不過這種說法缺乏根據(jù),。當(dāng)頻率超過20 MHz時(shí),，主要的傳導(dǎo)式噪聲可能是來自于電感的感應(yīng)，尤其是來自于輸出纜線的輻射,。本質(zhì)上這是共模,。但對(duì)一個(gè)交換式轉(zhuǎn)換器而言，這并不是共模噪聲的主要來源,。如表一所示,，標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)式EMI限制之頻率測(cè)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?yàn)榈竭_(dá)30 MHz以后,，任何傳導(dǎo)式噪聲將會(huì)被主要的導(dǎo)線大幅地衰減，而且傳輸距離會(huì)變短。但纜線當(dāng)然還會(huì)繼續(xù)輻射,，因此「輻射限制」的范圍實(shí)際上是從30MHz到1GHz,。
結(jié)語
來自電源電路的EMI是很難察覺的。因?yàn)楣こ處煻剂?xí)慣將電源供應(yīng)器想象成一個(gè)「干凈的」電源,，殊不知,，越是習(xí)以為常的組件，越可能是會(huì)發(fā)射EMI的「黑盒子」,。