EMI/EMC设计讲座（三）传导式EMI的测量技术

　　
图四：对DM和CM噪 声源而言，LISN所代表的负载阻抗

　　
为了了解VL和VN，请参考图四。共模电压是25Ω乘以流向E的电流值（或者是50Ω乘以Icm/2）。差模电压是100Ω乘以差模电流。因此，LISN提供下列的负载阻抗给噪声源（没有任何的输入滤波器存在）：

CM负载阻抗是25Ω，DM负载阻抗是100Ω。
　　
当LISN切换时，可以由下式得出噪声电压值：
　
VL=25ХIcm+50ХIdm 或 VN="25"ХIcm - 50ХIdm
　　
这是否意味着只要在L-E和N-E上做测量，就可以知道CM和DM噪声的相对比例大小？
　　
其实，许多人常有这样的错误观念：「如果来自于电源供应器的噪声大部分是属于DM的，则VL和VN的大小将会相等。如果噪声是属于CM的，则VL和VN的大小也会相等。但是，如果CM和DM的辐射大小几乎相等时，则VL和VN的测量值将不会相同。」
　　
如果这样的观念正确的话，那就表示即使在一个离线的电源供应器中，L和N线路是对称的，但L和N线路上的辐射量还是不相等的。在某一个特殊的时间点，两线路上的个别噪声大小可能会不相等，但实际上，射频能量是以交流的电源频率，在两条线路之间「跳跃」着，如同工作电流一样。所以，任何侦测器测量此两条线路时，只要测量的时间超过数个电压周期，VL和VN的测量值差异将不会很大的。不过，极小的差异可能会存在，这是因为有各种不同的「不对称性」存在。当然，VL和VN的测量结果必须符合EMI的限制规定。
　　
使用LISN后，就不需要分别测量CM和DM噪声值，它们是利用上述的代数公式求得的。但有时还是需要各别测量CM和DM噪声值，譬如：为了排除故障或诊断错误。幸好有一些聪明的方法可以达到各别测量的目的。我们举两个例子：
　　
有一种装置称作「LISN MATE」，不过，目前已经很少被使用了。它会衰减DM噪声约50dB，但不会大幅衰减CM噪声（约仅衰减4dB）。它的电路如图五所示。
　　
图六是一种以变压器为基础的装置，它是利用共模电压无法使变压器工作的原理；因为本质上需要差动的一次测电压，才能使变压器线圈内的磁通量「摆动（swing）」。它不像LISN MATE，此时CM和DM噪声是一起输出。
　　
不过，上述的两种方法都需要修改LISN电路。因为一般的LISN只提供VL或VN，无法同时提供这两者。最好是购买CM和DM噪声有分离输出的LISN。此外，也应该要有总和检视的功能，以确定是否有遵守技术规范的限制。

　　

　　
图五：LISN MATE

　　

　　
图六：CM和DM分离器

　　
传导式EMI的限制
　　
对EMI而言，滤波器是做何用途呢？表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制规定。此表中比较特殊的是，除了可用dBμV计量以外，也可以用mV来计量。这对那些讨厌使用对数（logarithm）计算的设计者而言很便利。
　　
在对数的定义里：db=20log10[V1/V2]  ，V1/V2是输出入电压的比值。所以，dBμV表示是以IμV为对数的比较基准。下式是mV转换成dBμV的公式：

dBμV)=20Хlog[mV/10-6]
　　
譬如：0.25mV可以透过公式，得出：20log10[0.25Х1,000/1] ≌48 dBμV。
　　
而dBμV转换成mV的公式如下：
　　
(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3

　　表一：传导式EMI的限制

　　
必须注意的是，FCC并没有规定平均的限制值，只规定了「准峰值（quasi-peak）」。虽然，FCC有认可CISPR22的限制值。但是，FCC不允许两者混用或并用。设计者必须择一而从。不过，以目前的情况来看，FCC Part 15势必会逐渐和CISPR 22完全一致的。

　　
表二是dBμV与mV的快速转换对查表，我们可以利用上述的公式来转换dBμV、mV；或利用表二查得。

　　

　　
表二：dBμV与mV的对查表
　
再观察一下表一中的类别B，尤其是150 kHz至450 kHz，和450 kHz至500 kHz的区域。实际上，对CISPR而言，这是一个连续的区域，因为dBμV对log(f)的限制线在150 kHz到500 kHz的区域内是一条直线。在150 kHz至500 kHz之间，CISPR均限曲线（传导式EMI）的任一点之dBμV值可由下式求出：
　　
(dBμVAVG)= -19.07Хlog(ƒMHZ)+40.28
　　
为了方便计算和记忆，上式可以改写成：
　　
(dBμVAVG)= -20Хlog(ƒMHZ)+40
　　
在这个区域内的「准峰值限制」正好比「平均限制」高10dB。所以，在150 kHz至500 kHz之间，CISPR准峰值限制曲线（传导式EMI的任一点之dBμV值可由下式求出：

） 　　
(dBμVQP)= -19.07Хlog(ƒMHZ)+50.28
　　
同样的，上式也可以改写成：
　　
(dBμVQP)= -20Хlog(ƒMHZ)+50
　　
CISPR 22类别B在150 kHz至500 kHz之间的限制值，实际上是上述的化约式。 就数学定义而言，AХlog(ƒMHZ)+c是一条直线（如果水平轴具有对数刻度），其斜率为A，当频率（f）为1MHz时，它通过c点。就CISPR 22类别B而言，虽然它的dBμV直线在500 kHz处被截断，但是它的渐近线（asymptote）仍会通过40或50dBμV，这分别是「均限曲线」和「准峰值限制曲线」的c点（亦即，频率为1MHz时的dBμV值）。
　　
例如：当频率为300 kHz时，CISPR 22类别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
　　
因为准峰值限制比均限值多10 dB，所以它是60.25 dBμV。
　　
比较表一中的准峰值限制，是否意味着当超过450 kHz时，FCC标准会比CISPR 22严格？首先，FCC标准是以美国国内的电源电压为测量基准；而CISPR则是使用更高的电源电压来测量。所以这是「淮橘成枳」的问题，不能相提并论。此外FCC虽然没有定义均限值，但是当CISPR 22的准峰值限制和均限值之差超过6 dB以上时，它放宽了限制（约13 dB）。因此，在实务上，符合CISPR标准的产品也会符合FCC的标准。
　　
有人说：「频率大约在5 MHz以下时，噪声电流倾向于以差模为主；但在5 MHz以上时，噪声电流倾向于以共模为主。」不过这种说法缺乏根据。当频率超过20 MHz时，主要的传导式噪声可能是来自于电感的感应，尤其是来自于输出缆线的辐射。本质上这是共模。但对一个交换式转换器而言，这并不是共模噪声的主要来源。如表一所示，标准的传导式EMI限制之频率测量范围是从150 kHz至30 MHz。为何频率范围不再向上增加呢？这是因为到达30 MHz以后，任何传导式噪声将会被主要的导线大幅地衰减，而且传输距离会变短。但缆线当然还会继续辐射，因此「辐射限制」的范围实际上是从30MHz到1GHz。