差模电流和共模电流

理解和解决EMC问题的关键是理解电流的流动。电流沿环路流动，但对于数字电路设计员来说，忘记这个重要事实的情况并不少见。他们通常处理的电压，大多是如一个门电路输入给另外一个门电路这样的情况。绘制电路原理图时使用一个或多个接地符号用于表示信号回路或电源回路。这通常被称为“隐藏的电路原理图”。回路如何进行布线、定义及如何回到电源，对于这些方面通常都没有给出指导或考虑。当电路板的返回层由设计人员进行布线或由CAD软件自动布线时，经常就会出现问题，即许多与电路板相关的EMI问题。然而，通过理解明白返回电流是如何返回到其电源的，并确保返回路径为低阻抗的，可以进一步解决问题，但对于EMI问题的彻底成功解决仍还有很长的路要走。

首先，考虑电流是如何流动的。在低频时(50kHz以下)，返回电流通常沿着电阻最小的路径流动。在高频时(50kHz以上)返回电流通常沿着阻抗最小的路径流动。请注意，这两个概念并不相同。电阻最小的路径取决于返回路径上导体的材料性能及从电源到负载的距离，即返回电流以直接路径流回到电源。阻抗最小的路径取决于印制线与返回路径之间的感性效应和容性效应，这会使返回电流在信号(或电源)印制线的下面直接流动。产生这种现象的原因是在较高频率，信号电流路径的自感最小，储存的磁场能量和路径阻抗也最小，这通常会使输出电流和返回电流之间的物理空间(或环路面积)最小。此概念将在本书第2章进行详细讲述。

通过观察变压器是如何进行工作，能更容易地理解上述概念，如图1.2所示。当交变电流(AC)或高频电流在变压器的一个绕组上流动时，通过与相邻绕组的磁场耦合，会在另外一个绕组上产生一个方向相反的电流。当电流通过导体或印制电路层时，它们的工作原理与电流在电路印制线中流动时的工作原理相同。这方面的详细讨论见本书第2章。

接下来考虑一个概念:什么是电流通常称为差模(DiferentialMode，DM)电流或差分电流。它们就是从电源到负载然后再从负载回到电源的信号电流或电源电流。DM电流沿着环路流动，从电源到负载的输出电流以及从负载回到电源的返回电流。这两条路径靠得越近，产生的自感应磁场就越小，这将会减小与其他导线、印制线或申路的耦合。当迫使电源、信号印制线或导线与其返回路径相远离时，就会产生一个较大的环路，如图1.3所示，这种情况下就会出现问题。环路越大，产生的辐射磁场就越大，反之，这也更易于接收其他磁场源产生的磁场。这就会将干扰引人这些电路。

幸运的是，通常使用的是返回层或参考层，也经常被错误地称为接地层。正如上述已指出的，返回层或参考层上的印制线会与其下面的返回路产生直接的感性耦合。具有本地耦合返回路径的印制线能使其和返回路径之间的闭环面积最小，从而使印制线产生的发射最小，以及使电路对外界干扰的敏感度最低。然而，当对PCB进行布线时，如果信号电流路径和返回电流路径之间相距若干层或在返回层或参考层上存在孤岛或切口，那么参考层将会失去其所有优点。

DM电流流过的路径与共模(CommonMode，CM)电流流过的路径不同。CM电流的不同之处在于它们沿着信号电路(或信号路径和返回电路(或返回路径)流动时的方向相同。它们的值通常也是非常小的，为微安级。一个很好理解DM电流和CM电流的方法是，各DM电流(数字信号)要求专用的返回路径才能工作，而各CM电流要求提供返回路径就可以(共用)。如果没有为CM信号提供返回路径，那么它将会自己寻找，这极可能会形成一个很大的闭环面积，从而产生强的辐射发射!

考虑两个子系统的情况(电路1和电路2)，如图1.4所示。子系统可以是两个集成电路(Integrated Circuit，IC)或两块电路板，它们具有共同的返回/参考路径。如果返回路径为一层，那么两个子系统之间的阻抗将是非常小的，为毫欧级。即便如此，如果在返回路径的两个点之间进行测量，也会存在很小的电压，这是由EM场感应产生的不同电流流过这些小的阻抗产生的。如果这两点之间存在电压降，那么它们之间肯定存在电流。正是这个小电流产生了CM电流，其在信号路径和信号返回路径上的流动方向相同。这种情况也经常出现在与产品相连接的 I/O电缆上，这极可能是辐射发射产生超标的原因。

产生CM电流的其他方法还包括利用电压源，其可能与机壳产生容性耦合，如通过电源的散热片。开关装置与外壳之间的电压能在整个电路中产生CM电流，对于这种情况，必须在外壳上找一个连接让CM电流流回到电源。对于与外壳没有任何交流连接的孤立电源，这将会使所有的电源和互连电缆都产生辐射，应尽力让这种电能返回到外壳，然后返回到电源。如果返回层上存在被忽视的槽或缝隙而迫使返回电流流过较长的路径，或者如果高频信号电路的电源或负载间被忽视的阻抗匹配很差，那么也会产生CM电流。

由于CM 信号与其返回路径之间的距离很大，那么与DM的相比，CM 噪声能产生更有效的辐射。一些仿真模型表明，根据频率和电流回路的几何形状，CM电流产生的辐射能量效率更高，为DM辐射的10'倍。至少可以说，1uA的CM电流产生的辐射能量相当于1mA的DM电流产生的辐射能量。