差模辐射干扰&共模辐射干扰

辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。辐射干扰分为差模辐射干扰和共模辐射干扰。

• 差模辐射干扰

1.差模辐射的来源

差模辐射是由电路中传送电流的导线所形成的环路产生的，这些环路相当于可产生磁场辐射的小型天线。为了限制辐射发射，必须在设计过程中对电流导线环路的尺寸和面积进行控制。

PCB的差模辐射

2.差模辐射的计算

差模辐射的情况可以用一个小型环状天线来模拟。对于一个环路面积为，电流为 的小型天线，在自由空间中距离 处测量到的电场 的大小表示为下式：

             （1）

上式中电场强度的单位是V/m；频率f的单位是Hz；面积A的单位是m2；电流I的单位为A；距离r的单位是m。

上式适用于自由空间中的小型环状天线，并且在天线周围临近没有任何反射物体。但是，大多数电子产品的辐射测量都是在地平面上的开阔场地上进行，而不是在所谓的自由空间进行的。过多的地面反射可能使辐射发射的测量结果便打，最大可达6dB。考虑到这个因素，上式必须乘以修正系数2。假设所有反射的方向相同，对地面反射进行校正，（1）式重写如下：

                 （2）

上式表明：差模辐射发射大小与电流 、信号频率的平方、环路面积 成正比。

3.差模辐射发射频谱包络

下图给出了差模发射的频谱包络图。可知，上升时间对差模辐射的影响非常重要。信号的上升时间决定了频谱的拐点，过了拐点之后，差模辐射发射不再随着频率的增大而增大。 为信号上升沿时间。

所以，为了减小差模辐射发射，最重要的是尽量减小信号频率与信号的上升沿时间。

差模辐射发射频谱包络

4.差模辐射发射的控制

根据上式可知，控制差模辐射发射的方法有：减小天线上的电流大小；减小电流信号的频率或电流的谐波分量（信号上升时间）；减小导线电流环路面积。

1)减小导线电流环路面积（PCB布局和多层电路板）

尽管电流环路时电路正常工作所必需的，但为了限制差模辐射发射。必须在设计过程中对环路的尺寸与面积进行控制。

减小导线电流环路面积的方法主要集中在PCB布局布线过程中。在此过程中首先需要注意的是高速时钟信号，时钟通常是系统中频率最高的信号，因此所有时钟线都应该有毗邻的地回流线；其次是地址总线和数据总线，至少应保证每8位一组的数据导线或地址导线有一条信号回流导线（接地线）相邻。同时，因为最低有效地址导线上的电流频率往往最高，所以地回流导线最好靠近它来布线。

2)减小天线上的电流大小

如果接地合理，电源有去藕且布局良好，PCB上的差模辐射发射不会是主要问题。通常最主要的差模辐射来源是背板和互联电缆。在数字系统中，背板所产生的辐射往往是最主要的差模辐射源。事实上，相关导线的长度与背板设计完成之后被忽略的差模辐射对发射的贡献最大。

   a)背板连线的屏蔽

   背板应采用2层电路板或者有地层设计的多层板，这样能够控制背板上的信号环路面积。假如无法使用接地平面层，那么应当使用多个地回路，并且散布在背板上，不要拥挤在一起布线，以有效减小环路面积。

   b)电缆的屏蔽（互联电缆布局和屏蔽电缆）

   电缆布线的主要设计目的是为信号线路提供一个紧邻的电流返回线路，减小它们所包围起来的环路面积。电缆按照减小辐射能力排序：同轴电缆、三芯电缆、双绞线、扁平电缆。

扁平电缆最好的排列方式是：地线-信号线-地线-……信号线-地线。此外还有一种有效的方法：地线-信号线-信号线-地线-信号线-信号线-地线。如下图所示。

扁平带状电缆配置：（a）单根地线（b）信号线和地线交替排列

（c）地-信号-信号-地（d）信号线在地平面上

• 共模辐射干扰

1.共模辐射的来源

共模辐射是因电路中不需要的电压降产生的，这种电压降使系统的某些部件与“真正”的地之间形成一个共模电位差。一般来说，共模辐射来自于系统中的电缆。如图所示，辐射发射的频率由共模电势（通常是地电压）决定。

系统电缆的共模辐射

2.共模辐射的计算

共模发射可以模拟成一个短的（小于）单极子天线，天线由共模电压（地电压）驱动。对于一个地平面上的长度等于 的短的单极子理想天线，在距离为 的点测量到的电场强度的大小可以用下面的公式来表示：

                    （3）

上式中电场强度的单位是V/m；频率f的单位是Hz；电流I的单位为A，表示的是电缆上的共模电流；长度l和距离r的单位是m。

对于非理想天线，假设某一个方向的发射最大，公式（3）可重新整理如下：

                    （4）

上式表明：辐射发射大小与频率 、天线长度、天线上的共模电流 大小成正比。

3.共模辐射发射频谱包络

下图给出了共模发射的频谱包络图。随着频率的增大，共模辐射会逐渐减弱，所以共模发射载频率小于时才是问题， 为信号上升沿时间。

共模辐射发射频谱包络

4.共模辐射与差模辐射

在产品的设计和布局阶段很容易控制差模辐射。相比之下，共模辐射却很难控制。通常，恰恰是共模辐射决定着产品的整体发射性能。

使（2）式与（4）式相等，解出差模电流与共模电流的比值，就可以算出产生大小相等的辐射场所需要的差模电流对共模电流之比，所以有：

上式中的 和分别是产生同等大小辐射场所需要的差模电流与共模电流。假若电缆长度l，环路面积A，频率f，则公式的结果等于

 

这个结果表明：差模电流只有比共模电流大至少3个数量级，它产生的辐射场才能等于共模电流产生的辐射场。也就是说，几微安的共模电流就能够产生与几毫安差模电流产生的辐射场相等的辐射场。

5.共模辐射发射的控制

减小辐射发射大小的主要方法是限制共模电流的大小。采取下面的措施就能够达到控制共模电流大小的目的：

使驱动天线的源电压最小，通常是指地电压；

提供足够大的共模阻抗与电缆串联，即使用所谓的共模扼流圈；

将共模电流分流到地；

电缆实施屏蔽。

   1)减小共模电压

   使用接地网格或接地平面减小接地系统上的电压降是减小共模电压的有效方法。下图是PCB使用接地网格减小共模发射的效果参考图。

PCB辐射发射测量结果频谱

为设备选择与外部大地合理连接点也有助于减小共模电压。设备的外部接地点距离借口电缆的位置越远，这两点之间就越容易产生较大的共模电压。

   2)共模扼流圈

   共模扼流圈普遍用于限制电缆上的共模发射，其工作特性不会影响到差模电流。由于扼流圈绕组之间寄生电容的旁路效应，共模扼流圈的效果一般不会大于20dB，典型值在6dB～12 dB之间。一般要求共模扼流圈在需要抑制的频率范围内至少具有100Ω～1000Ω的阻抗，小于这个范围就很难有效了。

   3)电缆的去耦

   使用去藕电容将电缆上的共模电流分流到地，其使用效果取决于驱动电路的共模源阻抗。除了去耦电容之外，采用与电缆串联的电阻或电感也能获得减小共模电流的效果。内嵌并联电容器或串联电感类元件的引脚滤波型连接器也是一种用于电缆共模抑制的技术。

   4)电缆的屏蔽

   为了减小电缆的辐射，可以采用屏蔽电缆。

电缆的去耦和屏蔽都需要一个没有受到数字逻辑电路噪声污染的“干净”的地。PCB必须采取下图所示方式布局。

为了避免I/O地受到污染，只能将I/O线的去藕电容和外部电缆的屏蔽层连接到这个地上。

I/O地与外部大地之间必须提供低阻抗连接，通常是通过安全接地线接地。为了减小I/O地的接地电感，I/O地与结构地之间必须多点连接。