-
-
手机阅读
五﹑I/O Cable的天线效应
在了解产生辐射的条件后﹐接下来就是要知道产品有哪些地方会造成天线效应﹐对一般摆在桌上大小的产品﹐I/O电缆（Cable）正好就是一个天线﹐前面有提到有辐射就会有天线﹐因此I/O电缆是最重要﹑最有效的辐射机制。
在对策时很多时候只要把周边电缆拿掉﹐噪声就是见或是降低﹐电缆一加上则噪声就出现﹐所以我们要先针对这条电缆线来处理﹐而不是先去修改产品内部主板（Mainboard)的时脉震荡。
就噪声的来源分析是由时脉（Clock）造成﹐所以是一支支的高频谐波﹐可是这些讯号存在电路板上﹐并不代表这些讯号就会辐射到空中﹐这是一般人容易忽略的一个重要观念﹐虽然辐射的来源是时脉（Clock)﹐但是把这些能量转成电磁波辐射到空中﹐则就是从I/O电缆的贡献。
所以我们要先去修改I/O电缆﹐而不要去改时脉（Clock),当然所谓I/O电缆不只是产品对外的连接周边线﹐在产品内部的相互连接线﹐都要把当成I/O电缆来处理﹐这也是一般人容易忽略的地方。
EMI只要把电缆线的问题解决了﹐大部分的产品都会符合规格要求﹐在我们处理的经验中﹐只看过一两件产品﹐所有周边电缆线拿掉﹐产品本身主板（Mainboard)上的噪声还是无法符合规格的要求﹐通常如果遇到这种情形﹐往往要重新布局（Layout)才有可能修改通过﹐否则就算在所有的电缆线加了一堆陶铁环（Core）﹐还是没有用。
I/O电缆的问题是很容易确认﹐如何确认呢﹖只要把I/O电缆取下就可以知道﹐在EMI修改上有时会有很多不同的争论与看法﹐这些都要靠实验来证明自已的看法﹐而不是只凭经验判断。
也就是说在EMI修改上有时有很多种的判断﹐有的人说要改这边﹐有的人说要改那边﹐其实这些都可以很快的用实验证明﹐例如如果认为是这颗IC组件造成的噪声﹐那可以把这颗IC组件拔掉﹐然后看噪声还在不在﹐有时往往改了老半天一直以为是这颗IC﹐但是IC拿掉后﹐结果噪声还是存在。
我们用仪器去测量模拟区的噪声发现噪声很高﹐也就是模拟接地（Analog Ground）的噪声很高﹐基本上就很难改下来﹐因为电路板上接地区的噪声会透过电缆周边线而辐射出来﹐我们在模拟组件上一直找对策﹐后来发现怎样都改不下来﹐最后怎幺办﹖
这中间换了很多不同厂牌的Analog IC组件﹐也在IC上加了很多对策组件﹐但是噪声一直未能获得有效的改善。
只好将一颗一颗的Analog IC拿掉﹐最后整个所有的模拟组件都拿光了﹐也就是没有一个模拟组件在电路板上﹐然后接上电源用探棒（Probe)去测量﹐结果噪声还是一样高﹐也就是原先在模拟接地（Analog Ground）的噪声还是一样的大。
那幺模拟接地的噪声怎幺来的﹐明明没有任何一个模拟组件在电路板上﹐但是却还是有噪声存在。经过细部的追踪后发现﹐这个噪声是从数字区过来的﹐也就是由ASIC上产生然后透过走线伟到模拟区﹐可是在先前却是误判了。
这是因为依照以往的经验﹐模拟（Analog)噪声通常都是宽频（Broadband)而这边的接地噪声却正好就是宽频的型态﹐所以一直会以为就是模拟的问题﹐不过它是从数字区﹐就是ASIC上过来的﹐有些令人想象不到。
但是无论如何﹐我们都能用实验来逐一找出问题﹐因此对于I/O电缆也是一样﹐通常把周边线移去时﹐共模噪声往往会降低10dB以上﹐修改机器时常常会应用这个方法。
六﹑共模（Common Mode)与异模（Differential Mode)
对于共模和异模这两个名词﹐EMI的理论都会看到﹐大部分的书本里都有介绍的很详细﹐但是很多人却看的很模糊﹐这关键就是在为什幺要了解共模和异模﹐又为什幺要分成这两种噪声的来源﹖
在第三节造成EMI基本的原因中﹐有大概提供了共模跟异模的说明﹐在本节中﹐除了还是要把共模跟异模的分别作一些简单的图解外﹐还会针对实际对策时﹐如何藉由共模跟异模的噪声现象﹐来思考一些对策的方法跟原则﹐这一点往往在般书上被忽略。
在此我们以PC产品来说明﹐PC的主机板（Mainboard)连到周边以后﹐经过I/O Port连到周边线上﹐我们把它转成一个简单的示意图如下
从图上可以看到有两个电压存在﹐一个是Vdiff异模电压就是信号（Singal)在线路上所产生﹐也就是一般习惯讲的时脉（Clock),另外一个就是靠近接地端的共模电压Vcm,这里面就是许多高频谐波的成分存在。
为了更能分清楚这两种信号的差异和特性﹐我们把这两种信号分成两个图来表示
在图中的电流由信号源中﹐从正端走过一圈后回到负端﹐这个信号本身是一个异模（Differential)的信号﹐因为是走单方向所以称为异模﹐通常就是产品本身设计所需要的信号﹐也就是时脉（Clock)信号﹐因此这些电流一定要回到信号源的负端﹐这样才能正常的工作。
所以异模信号相对于负载一定是走相反的两个方向﹐而形成一个回路（Loop)﹐至于辐射到空中的量就比较大。
从这边可以思考到如何降低异模噪声的辐射﹐也就是把走线所绕的面积减小﹐如此噪声所辐射的能量就会减小﹐至于减小的方法一般有两种﹐一个就是在一开始布局（Layout）时﹐就尽量避免使得走线绕出太大的面积﹐当然这是理想的情况﹐往往实际布局（Layout）时并不是都能做到。
另外一个方法就是加上适当的去耦合电容﹐利用电容本身的特性﹐可以使高频的电流流过﹐如此高频电流就不会流过较大的面积﹐而经由去耦合电容走较小的而积﹐这样相对辐射也会减低。
图七中则是一个共模信号的说明﹐信号在走线上跑﹐除了一定会回到信号源的负端外﹐还会流向共通的接地端﹐也就是所有的组件上的各种信号﹐包括高频噪声都会回流到接地端上﹐这些电流由于接地点的阻抗而会产生一个电压﹐也就是共模Vcm电流﹐以数学式子表示为Vcm=Icm x RG.
RG在这边是代表接地阻抗的大小﹐Icm则是所有产品上组件所产生的噪声电流﹐流向接地的总和即是Icm,而在图七中的Antenna是什幺呢﹖
通常就是外接的电缆线﹐因为电缆线接地的关系﹐Vcm就会经由接地间的连接﹐而传导到电缆上﹐而电缆的线长就正好是一个天线的效应。
所以为什幺会有Vcm的存在﹐这很重要﹐一定要懂这个道理才会修改机器﹐因为有接地阻抗的存在﹐所以才会有Vcm﹐也就是当Icm流过去时﹐遇到电阻此时就会产生电压。
图七中有一个Vcm,然后一个天线（Antenna),从另一个角度来看﹐这就是标准的发射器﹐也就是天线会把信号源辐射到空中﹐所以EMI会辐射﹐共模噪声为什幺会辐射就是这样出来。
在前面的文章中有提到﹐为什幺有时候在电路板的接地（Ground）上不能加陶铁环（bead)﹐从这个分析中很清楚的可以看到﹐陶铁环（bead)会使得接地的阻抗(RG)变大﹐自然Vcm也就会变大﹐也就是说整个噪声就变大了。
图七虽然是一个很简单的图﹐但是几乎所有对策的观念和方法﹐就隐含在这图里面﹐一旦噪声改不下来时﹐就要去想问题在哪边﹐在产品中哪边是Vcm电压哪边是天线﹐只要把Vcm电压降下来或是缩短天线的长度﹐就可获得适当的改善。
对信号来讲是依照六的线路走﹐而产品设计中所不要的高频谐波（Harmonic),就变成如图七的走法。所有噪声的辐射（EMI）就是这样来﹐而对电磁而受性（EMS）则是倒过来﹐外界环境中的噪声﹐从天线端接收到﹐然后传导到产品的内部﹐所以往往在处理EMS的对策﹐是和处理EMI相同。
解释了这幺多或许有的人还是有些模糊﹐所以我们再用一个简单的灯泡例子来说明﹐在图八中是一个电池跟一个灯泡﹐中间是由导线来连接。
以上图来说﹐电流的路径就相当于一般所谓的异模﹐它沿着一定的路径走也就是沿着导线走﹐因此灯泡才能发光﹐而热流的路径就相当于一般所谓的共模﹐其并没有一定的路径﹐但是会分布在整个线路和基座上都存在﹐也就是对电流而言只会存在导线中﹐不会存在灯泡的基座上﹐ 但是热流则会存在灯泡的基座和导线上。
热流怎幺来的呢﹖就是灯泡发光后所产生而造成﹐这一点和实际电子产品的运 作很像﹐能使IC工作的是时脉信号﹐这就像是灯泡发亮的电流路径﹐而整个热流就像是电子产品中的共模噪声伴随时脉信号而产生。
所以在对策时﹐异模噪声的问题往往很容易处理﹐只要找出噪声是哪一条线﹐很快就能获得改善﹐一般可以用去耦合电容使其回路减小即可﹐若因为产品功能问题而不能使用电容﹐则可以改用屏蔽线或是从理线或整线上去处理﹐尽量使走线的面积变小﹐并且避开一些高频能量强的组件。
但是在修改共模噪声时﹐很多对策或设计（R&D)工程师会很迷惑﹐有时把某处的接地改善后﹐噪声却跑到别处去﹐也就是噪声会在机器内跑来跑去﹐把这边的噪声抑制下来但是别处的噪声却又升高﹐这是因为共模的噪声并不像异模是沿着一定的路径在走﹐这往往也就是电磁干扰修改对策上较为困难的地方。
除了能清楚共模和异模的理论外﹐实际产品噪声的现象是如何呢﹖这边往往被忽略掉了﹐事实上很多产品的噪声﹐可以从实际测试时的频谱图来做一个判断﹐虽然并非百分之百的准确﹐不过可以提供实际对策上很好的方向。
共模和异模除了在理论上造成的机制不同外﹐它在频谱分析仪中所表现出的型态也是不同的﹐说明如下
在图中就是一个典型的异模辐射﹐从图上可以看到一支一支的噪声存在﹐而每一支噪声和下一支噪声正好都是维护相同的频率间隔﹐这就是谐波。
在频谱上的噪声图是类似图九的形态﹐就可以视为异模的辐射﹐通常要找出成为辐射天线的连接线是在哪边﹐找到后再做适当的抑制处理。
在图十中则是一个共模辐射的频谱图﹐可以明显的看出﹐整个噪声的形态和先前的图九完全不同﹐在图九中是一支支等距的噪声﹐而在图十中则是一大片的宽频辐射噪声﹐通常这种形态的噪声就可以视为共模噪声辐射。
从先前共模与异模辐射的理论中我们可以知道﹐共模是很多不同组件上的高频谐波汇集﹐也就是在电路板上所有组件产生的噪声﹐都可能会流到接地上﹐因此在频谱图上它是一个宽频（Broadband)的信号﹐也就是里面包含了许多不同大小频率的信号﹐整个被接地所合成后﹐就形成了上面的噪声。
处理共模的噪声﹐自然是要先去处理产品里面的接地问题﹐这和处理异模是不相同﹐如果没有把这个基本的道理和原则想清楚﹐在实际对策修改时﹐往往就会花了许多不必要的时间。
当然在实际产品和测试时﹐共模和异模往往会同时存在相互影响﹐而不会单独的存在﹐一般异模的噪声常会载在共模噪声上面﹐参考图十一的频谱图﹐这类似一个发射机的载波和信号的现象﹐因此处理的原则必须要先从共模噪声的降低来着手﹐有时适当抑制共模的噪声﹐异模噪声相对也就会跟着降低﹐不需另外再修改往往就能符合规格要求。
这原因还牵涉到产品功能的问题﹐一般产品上的时脉（Clock）信号就是产品运作的关键﹐所有的功能皆要由这些时脉来完成﹐因此在修改异模噪声时﹐往往会面临和产品功能相衡突﹐使得噪声虽然修改符合﹐但是产品功能就变得不稳定了﹐然而处理产品中接地的改善﹐则往往不会影响到产品本身的时脉（Clock）﹐并且能有效的降低噪声﹐这也是为何接地的设计与处理﹐一直是电磁干扰中最重要的一个课题。