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一、初識(shí)共模電感 共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于電腦的開關(guān)電源中過濾共模的電磁干擾信號(hào)。在板卡設(shè)計(jì)中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。 
計(jì)算機(jī)內(nèi)部的主板上混合了各種高頻電路、數(shù)字電路和模擬電路，它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高頻電磁波互相干擾，這就是EMI。EMI還會(huì)通過主板布線或外接線纜向外發(fā)射，造成電磁輻射污染，不但影響其他的電子設(shè)備正常工作，還對(duì)人體有害。 PC板卡上的芯片在工作過程中既是一個(gè)電磁干擾對(duì)象，也是一個(gè)電磁干擾源。總的來說，我們可以把這些電磁干擾分成兩類：串模干擾(差模干擾)與共模干擾(接地干擾)。以主板上的兩條PCB走線(連接主板各元件的導(dǎo)線)為例，所謂串模干擾，指的是兩條走線之間的干擾；而共模干擾則是兩條走線和PCB地線之間的電位差引起的干擾。串模干擾電流作用于兩條信號(hào)線間，其傳導(dǎo)方向與波形和信號(hào)電流一致；共模干擾電流作用在信號(hào)線路和地線之間，干擾電流在兩條信號(hào)線上各流過二分之一且同向，并以地線為公共回路，如圖1-1所示。  圖1-1： 串模干擾和共模干擾 如果板卡產(chǎn)生的共模電流不經(jīng)過衰減過濾(尤其是像USB和IEEE 1394接口這種高速接口走線上的共模電流)，那么共模干擾電流就很容易通過接口數(shù)據(jù)線產(chǎn)生電磁輻射——在線纜中因共模電流而產(chǎn)生的共模輻射。美國FCC、國際無線電干擾特別委員會(huì)的CISPR22以及我國的GB9254等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等都對(duì)信息技術(shù)設(shè)備通信端口的共模傳導(dǎo)干擾和輻射發(fā)射有相關(guān)的限制要求。為了消除信號(hào)線上輸入的干擾信號(hào)及感應(yīng)的各種干擾，我們必須合理安排濾波電路來過濾共模和串模的干擾，共模電感就是濾波電路中的一個(gè)組成部分。 共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器：一方面要濾除信號(hào)線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。  圖2 圖2是我們常見的共模電感的內(nèi)部電路示意圖，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，還可以采用多級(jí)共模電路來更好地濾除電磁干擾。此外，在主板上我們也能看到一種貼片式的共模電感(圖3)，其結(jié)構(gòu)和功能與直立式共模電感幾乎是一樣的。  圖3：貼片CMC 二、從工作原理看共模電感 為什么共模電感能防EMI？要弄清楚這點(diǎn)，我們需要從共模電感的結(jié)構(gòu)開始分析。  圖4： 共模電感濾波電路 圖4是包含共模電感的濾波電路，La和Lb就是共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。 事實(shí)上，將這個(gè)濾波電路一端接干擾源，另一端接被干擾設(shè)備，則La和C1，Lb和C2就構(gòu)成兩組低通濾波器，可以使線路上的共模EMI信號(hào)被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號(hào)傳入，又可以衰減線路自身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI信號(hào)，能有效地降低EMI干擾強(qiáng)度。
對(duì)理想的電感模型而言，當(dāng)線圈繞完后，所有磁通都集中在線圈的中心內(nèi)。但通常情況下環(huán)形線圈不會(huì)繞滿一周，或繞制不緊密，這樣會(huì)引起磁通的泄漏。共模電感有兩個(gè)繞組，其間有相當(dāng)大的間隙，這樣就會(huì)產(chǎn)生磁通泄漏，并形成差模電感。因此，共模電感一般也具有一定的差模干擾衰減能力。 在濾波器的設(shè)計(jì)中，我們也可以利用漏感。如在普通的濾波器中，僅安裝一個(gè)共模電感，利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感，起到對(duì)差模電流的抑制作用。有時(shí)，還要人為增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，以達(dá)到更好的濾波效果。 三、從看板卡整體設(shè)計(jì)看共模電感 在一些主板上，我們能看到共模電感，但是在大多數(shù)主板上，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)省略了該元件，甚至有的連位置也沒有預(yù)留。這樣的主板，合格嗎？  圖4-1： 主板上的共模電感(有、無) 不可否認(rèn)，共模電感對(duì)主板高速接口的共模干擾有很好的抑制作用，能有效避免EMI通過線纜形成電磁輻射影響其余外設(shè)的正常工作和我們的身體健康。但同時(shí)也需要指出，板卡的防EMI設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)龐大和系統(tǒng)化的工程，采用共模電感的設(shè)計(jì)只是其中的一個(gè)小部分。高速接口處有共模電感設(shè)計(jì)的板卡，不見得整體防EMI設(shè)計(jì)就優(yōu)秀。所以，從共模濾波電路我們只能看到板卡設(shè)計(jì)的一個(gè)方面，這一點(diǎn)容易被大家忽略，犯下見木不見林的錯(cuò)誤。 只有了解了板卡整體的防EMI設(shè)計(jì)，我們才可以評(píng)價(jià)板卡的優(yōu)劣。那么，優(yōu)秀的板卡設(shè)計(jì)在防EMI性能上一般都會(huì)做哪些工作呢？ ●主板Layout(布線)設(shè)計(jì) 對(duì)優(yōu)秀的主板布線設(shè)計(jì)而言，時(shí)鐘走線大多會(huì)采用屏蔽措施或者靠近地線以降低EMI。對(duì)多層PCB設(shè)計(jì)，在相鄰的PCB走線層會(huì)采用開環(huán)原則，導(dǎo)線從一層到另一層，在設(shè)計(jì)上就會(huì)避免導(dǎo)線形成環(huán)狀。如果走線構(gòu)成閉環(huán)，就起到了天線的作用，會(huì)增強(qiáng)EMI輻射強(qiáng)度。 信號(hào)線的不等長同樣會(huì)造成兩條線路阻抗不平衡而形成共模干擾，因此，在板卡設(shè)計(jì)中都會(huì)將信號(hào)線以蛇形線方式處理使其阻抗盡可能的一致，減弱共模干擾。同時(shí)，蛇形線在布線時(shí)也會(huì)最大限度地減小彎曲的擺幅，以減小環(huán)形區(qū)域的面積，從而降低輻射強(qiáng)度。  圖4-2： 主板的蛇形布線 在高速PCB設(shè)計(jì)中，走線的長度一般都不會(huì)是時(shí)鐘信號(hào)波長1/4的整數(shù)倍，否則會(huì)產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI輻射。同時(shí)走線要保證回流路徑最小而且通暢。對(duì)去耦電容的設(shè)計(jì)來說，其設(shè)置要靠近電源管腳，并且電容的電源走線和地線所包圍的面積要盡可能地小，這樣才能減小電源的波紋和噪聲，降低EMI輻射。 當(dāng)然，上述只是PCB防EMI設(shè)計(jì)中的一小部分原則。主板的Layout設(shè)計(jì)是一門非常復(fù)雜而精深的學(xué)問，甚至很多DIYer都有這樣的共識(shí)：Layout設(shè)計(jì)得優(yōu)秀與否，對(duì)主板的整體性能有著極為重大的影響。 ●主板布線的劃斷 如果想將主板電路間的電磁干擾完全隔離，這是絕對(duì)不可能的，因?yàn)槲覀儧]有辦法將電磁干擾一個(gè)個(gè)地“包”起來，因此要采用其他辦法來降低干擾的程度。主板PCB中的金屬導(dǎo)線是傳遞干擾電流的罪魁禍?zhǔn)?，它像天線一樣傳遞和發(fā)射著電磁干擾信號(hào)，因此在合適的地方“截?cái)唷边@些“天線”是有用的防EMI的方法?！疤炀€”斷了，再以一圈絕緣體將其包圍，它對(duì)外界的干擾自然就會(huì)大大減小。如果在斷開處使用濾波電容還可以更進(jìn)一步降低電磁輻射泄露。這種設(shè)計(jì)能明顯地增加高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性和防止EMI輻射的產(chǎn)生，許多大的主板廠商在設(shè)計(jì)上都使用了該方法。  圖5： USB和IEEE 1394接口附近的斷開設(shè)計(jì) 圖注：“斷開”的設(shè)計(jì)用來阻止電磁干擾借這些接口向外傳送形成電磁輻射，圖中電路板上的亮線清晰可見。尤其是USB接口部分采用該設(shè)計(jì)后，可在很大程度上大大改善EMI電流向外輻射的可能。 ●主板接口的設(shè)計(jì) 不知大家是否注意到，現(xiàn)在的主板都會(huì)附送一塊開口的薄鐵擋片，其實(shí)這也是用來防EMI的。雖然現(xiàn)在的機(jī)箱EMI屏蔽性能都不錯(cuò)，但電磁波還是會(huì)從機(jī)箱表面的開孔處泄漏出來，如PS/2接口、USB接口以及并、串口等的開口處。孔的大小決定了電磁干擾的泄露程度。開口的孔徑越小，電磁干擾輻射的削弱程度越大。對(duì)方形孔而言，L就是其對(duì)角線長度。  圖6 使用了擋片之后，擋片上翹起的金屬觸片會(huì)和主板上的輸入輸出部分很好地通過機(jī)箱接地，不但衰減了EMI，而且減小了方孔的尺寸，進(jìn)一步縮小L值，從而可以更有效地屏蔽電磁干擾輻射(圖７)。  圖7：使用了擋片后，L尺寸減小 上述三點(diǎn)只是主板設(shè)計(jì)中除電路設(shè)計(jì)之外的幾個(gè)主要防EMI設(shè)計(jì)，由此可見，主板的防EMI設(shè)計(jì)是一個(gè)整體的概念，如果整體的設(shè)計(jì)不合格，就會(huì)帶來較大的電磁輻射，而這些也不是一個(gè)小小的共模電感所能彌補(bǔ)的。 四、從必要性看共模電感 共模電感缺失＝防EMI性能低下？這樣的說法顯然是頗為片面的。 誠然，由于國家現(xiàn)在的EMI相關(guān)規(guī)范并不健全，部分廠商為了省料就鉆了這個(gè)空子，在整體防EMI性能上都大肆省料壓縮成本(其中就包括共模電感的省略)，這樣做的直接后果就是主板防EMI性能極其低下；但是對(duì)于那些整體設(shè)計(jì)優(yōu)秀，用料不縮水的主板，即使沒有共模電感，其整體防EMI性能仍能達(dá)到相關(guān)要求，這樣的產(chǎn)品仍然是合格的。因此，單純就是否有共模電感這一點(diǎn)來判斷主板的優(yōu)劣，我們是無法得出結(jié)論的，這需要我們綜合主板的整體設(shè)計(jì)和做工來衡量其品質(zhì)。 同時(shí)，我們也建議廠商最好不要隨便省下這個(gè)元件，這樣不但能讓透過外部數(shù)據(jù)線產(chǎn)生的共模EMI傳導(dǎo)和模輻射降到最小，還能讓每一位用戶都買得放心 |
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