「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互連界面,，形成「傳導波（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，所產(chǎn)生的「傳導式噪聲」對PCB的影響,，以及如何測量「傳導式EMI」和FCC,、CISPR的EMI限制規(guī)定。
差模和共模噪聲
「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）」或「正常模式（normal mode）」,；而共模也稱作「不對稱模式（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,。簡言之,，差模噪聲是當兩條電源供應(yīng)線路的電流方向互為相反時發(fā)生的，如圖1(a)所示,。而共模噪聲是當所有的電源供應(yīng)線路的電流方向相同時發(fā)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數(shù)據(jù)或訊號；而共模訊號（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）」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「測試中的設(shè)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噪聲源是透過L和N對偶線,，來推挽（push and pull）電流Idm,。因為有DM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，但它不是噪聲,。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(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(shù)據(jù)時,，很可能因此造成測量誤差。
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?？梢郧宄赜^察出,，假使雙方的阻抗不均衡（unbalanced），「不對稱的」共模電流將分布在L和N線路上,。這似乎是「用詞不當」或與原定義不符,，因為CM本來又稱作「不對稱模式」。為了避免混淆,，此時的模式應(yīng)該稱作「非對稱（nonsymmetric）模式」,，好和「不對稱模式」做區(qū)分。在大多數(shù)的電源供應(yīng)電路中,，在這個模式下所發(fā)出的EMI是最多的,。
利用不等值的負載或線路阻抗，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DC-DC轉(zhuǎn)換器（converter）供應(yīng)電源給一個次系統(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,，它變成一個非常真實的（差動）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，因為此噪聲不完全是共模的,。到最后,，此次系統(tǒng)可能會發(fā)生錯誤。所以,，在產(chǎn)生共模電流時，就要馬上降低它的大小,，這是非常重要的,，是第一要務(wù)。
使阻抗均衡則是第二要務(wù)。此外,，由于共模和差模的特性,，共模電流的頻率會比差模的頻率大。因此,，共模電流會產(chǎn)生很大的射頻輻射,。而且，會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5uA的共模電流在一個1m長的導線中，所產(chǎn)生的射頻輻射量會超過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,，依照標準規(guī)定是1m,，所以電源線的長度不能比1m短。
在一個真實的電源供應(yīng)電路里,，差模噪聲是被一個「擺動電流（swinging current）」,，或「脈沖電流（pulsating current）」啟動的。但是,，DM噪聲源很像是一個電壓源,。另一方面，共模噪聲是被一個「擺動電壓（swinging voltage）」啟動的,。但CM噪聲源的行為卻比較像是一個電流源,，這使得共模噪聲更難被消除。它和所有的電流源一樣,，需要有一個流動路徑存在,。因為它的路徑包含底盤（chassis），所以外殼可能會變成一個大型的高頻天線,。
返回路徑
對噪聲電流而言,，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，部分的噪聲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(chǎn)生的電磁場會影響相鄰的導體,，在這些導體內(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(jié)點的電流量之代數(shù)和為零,。
利用簡單的數(shù)學公式，就可以將于L和N線路上所測得的電流,，區(qū)分為CM電流和DM電流,。但是為了避免發(fā)生代數(shù)計算的錯誤，必須先對電流的「正方向」做一定義,?？梢约僭O(shè)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(shè)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(shè)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(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,，我們將會發(fā)現(xiàn)對那些接地不明的設(shè)備而言，其實它們具有一些泄漏（返回）路徑,。
以圖一為例,，假設(shè)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(jié)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(lián)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(shè)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(lián)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(jié)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(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,，那是一個簡易的電路圖。若產(chǎn)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(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(yīng)給電源供應(yīng)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(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,，它允許測量工作可以在任何地點重復(fù)進行。對噪聲源而言,，LISN就是它的負載,。
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,，主要的簡化部分是,，纜線或接收機的輸入阻抗已經(jīng)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奧姆（因為傳輸線效應(yīng)）。所以,，當接收機正在測量這個訊號時,，假設(shè)在L和E之間，LISN使用一個「繼電/切換（relay/switch）電路」,，將實際的50奧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奧姆是為了要仿真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奧姆,。此外,，它可以讓一般的測量工作，在任何地點,、任何時間重復(fù)地進行,。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；這是因為一般的「數(shù)據(jù)線路（data line）」之輸入阻抗值近似于150奧姆,。
圖四：對DM和CM噪聲源而言,，LISN所代表的負載阻抗
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噪聲源（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上做測量,，就可以知道CM和DM噪聲的相對比例大小,？
其實,，許多人常有這樣的錯誤觀念：「如果來自于電源供應(yīng)器的噪聲大部分是屬于DM的，則VL和VN的大小將會相等,。如果噪聲是屬于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(yīng)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，兩線路上的個別噪聲大小可能會不相等,，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(shù)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(jié)果必須符合EMI的限制規(guī)定,。
使用LISN后，就不需要分別測量CM和DM噪聲值,，它們是利用上述的代數(shù)公式求得的,。但有時還是需要各別測量CM和DM噪聲值，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(jīng)很少被使用了,。它會衰減DM噪聲約50dB，但不會大幅衰減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,；因為本質(zhì)上需要差動的一次測電壓,，才能使變壓器線圈內(nèi)的磁通量「擺動（swing）」,。它不像LISN MATE，此時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(guī)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(shù)（logarithm）計算的設(shè)計者而言很便利,。
在對數(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為對數(shù)的比較基準,。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「準峰值（quasi-peak）」,。雖然,，F(xiàn)CC有認可CISPR 22的限制值。但是,，F(xiàn)CC不允許兩者混用或并用,。設(shè)計者必須擇一而從。不過,，以目前的情況來看,，F(xiàn)CC 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(zhuǎn)換對查表,，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。實際上,，對CISPR而言,，這是一個連續(xù)的區(qū)域，因為dBμV對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(qū)域內(nèi)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(shù)學定義而言,，AХlog(?MHZ)+c是一條直線（如果水平軸具有對數(shù)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，F(xiàn)CC標準會比CISPR 22嚴格,？首先,，F(xiàn)CC標準是以美國國內(nèi)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(wù)上,，符合CISPR標準的產(chǎn)品也會符合FCC的標準,。
有人說：「頻率大約在5 MHz以下時，噪聲電流傾向于以差模為主,；但在5 MHz以上時,，噪聲電流傾向于以共模為主?！共贿^這種說法缺乏根據(jù),。當頻率超過20 MHz時，主要的傳導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。但對一個交換式轉(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，任何傳導式噪聲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(xù)輻射，因此「輻射限制」的范圍實際上是從30MHz到1GHz,。
結(jié)語
來自電源電路的EMI是很難察覺的,。因為工程師都習慣將電源供應(yīng)器想象成一個「干凈的」電源，殊不知,，越是習以為常的組件,，越可能是會發(fā)射EMI的「黑盒子」。