差模電流和共模電流

理解和解決EMC問題的關鍵是理解電流的流動。電流沿環路流動，但對于數字電路設計員來說，忘記這個重要事實的情況并不少見。他們通常處理的電壓，大多是如一個門電路輸入給另外一個門電路這樣的情況。繪制電路原理圖時使用一個或多個接地符號用于表示信號回路或電源回路。這通常被稱為“隱藏的電路原理圖”?；芈啡绾芜M行布線、定義及如何回到電源，對于這些方面通常都沒有給出指導或考慮。當電路板的返回層由設計人員進行布線或由CAD軟件自動布線時，經常就會出現問題，即許多與電路板相關的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，可以進一步解決問題，但對于EMI問題的徹底成功解決仍還有很長的路要走。

首先，考慮電流是如何流動的。在低頻時(50kHz以下)，返回電流通常沿著電阻最小的路徑流動。在高頻時(50kHz以上)返回電流通常沿著阻抗最小的路徑流動。請注意，這兩個概念并不相同。電阻最小的路徑取決于返回路徑上導體的材料性能及從電源到負載的距離，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和容性效應，這會使返回電流在信號(或電源)印制線的下面直接流動。產生這種現象的原因是在較高頻率，信號電流路徑的自感最小，儲存的磁場能量和路徑阻抗也最小，這通常會使輸出電流和返回電流之間的物理空間(或環路面積)最小。此概念將在本書第2章進行詳細講述。

通過觀察變壓器是如何進行工作，能更容易地理解上述概念，如圖1.2所示。當交變電流(AC)或高頻電流在變壓器的一個繞組上流動時，通過與相鄰繞組的磁場耦合，會在另外一個繞組上產生一個方向相反的電流。當電流通過導體或印制電路層時，它們的工作原理與電流在電路印制線中流動時的工作原理相同。這方面的詳細討論見本書第2章。

接下來考慮一個概念: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載然后再從負載回到電源的信號電流或電源電流。DM電流沿著環路流動，從電源到負載的輸出電流以及從負載回到電源的返回電流。這兩條路徑靠得越近，產生的自感應磁場就越小，這將會減小與其他導線、印制線或申路的耦合。當迫使電源、信號印制線或導線與其返回路徑相遠離時，就會產生一個較大的環路，如圖1.3所示，這種情況下就會出現問題。環路越大，產生的輻射磁場就越大，反之，這也更易于接收其他磁場源產生的磁場。這就會將干擾引人這些電路。

幸運的是，通常使用的是返回層或參考層，也經常被錯誤地稱為接地層。正如上述已指出的，返回層或參考層上的印制線會與其下面的返回路產生直接的感性耦合。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面積最小，從而使印制線產生的發射最小，以及使電路對外界干擾的敏感度最低。然而，當對PCB進行布線時，如果信號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，那么參考層將會失去其所有優點。

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電路(或信號路徑和返回電路(或返回路徑)流動時的方向相同。它們的值通常也是非常小的，為微安級。一個很好理解DM電流和CM電流的方法是，各DM電流(數字信號)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信號提供返回路徑，那么它將會自己尋找，這極可能會形成一個很大的閉環面積，從而產生強的輻射發射!

考慮兩個子系統的情況(電路1和電路2)，如圖1.4所示。子系統可以是兩個集成電路(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，那么兩個子系統之間的阻抗將是非常小的，為毫歐級。即便如此，如果在返回路徑的兩個點之間進行測量，也會存在很小的電壓，這是由EM場感應產生的不同電流流過這些小的阻抗產生的。如果這兩點之間存在電壓降，那么它們之間肯定存在電流。正是這個小電流產生了CM電流，其在信號路徑和信號返回路徑上的流動方向相同。這種情況也經常出現在與產品相連接的 I/O電纜上，這極可能是輻射發射產生超標的原因。

產生CM電流的其他方法還包括利用電壓源，其可能與機殼產生容性耦合，如通過電源的散熱片。開關裝置與外殼之間的電壓能在整個電路中產生CM電流，對于這種情況，必須在外殼上找一個連接讓CM電流流回到電源。對于與外殼沒有任何交流連接的孤立電源，這將會使所有的電源和互連電纜都產生輻射，應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的路徑，或者如果高頻信號電路的電源或負載間被忽視的阻抗匹配很差，那么也會產生CM電流。

由于CM 信號與其返回路徑之間的距離很大，那么與DM的相比，CM 噪聲能產生更有效的輻射。一些仿真模型表明，根據頻率和電流回路的幾何形狀，CM電流產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電流產生的輻射能量相當于1mA的DM電流產生的輻射能量。