以共模为主的传导性抗扰度测试有很多,如:
IEC61000-4-6或ISO11452-7标准规定的传导抗扰度测试;
标准IEC61000-4-4规定的电快速瞬变脉冲群(EFT/B)测试;
标准IEC61000-4-5规定的线对地浪涌测试;
标准ISO11452-4规定的BCI测试、国军标GJB152A中规定的
CS109、CS114、CS115、CS116测试;
ESD测试。
其中标准IEC61000-4-4规定的EFT/B和ISO11452-4规定的BCI测试是*据典型的共模抗扰度测试。
这种共模抗扰度测试以共模电压的形式把干扰叠加到被测产品的各种电源端口和信号端口上,并以共模电流的形式注入到被测产品的内部电路中(产品的机械结构构架对EFT/B共模电流的路径与大小起着决定性的作用,这部分内容可以参考书籍《EMC设计分析方法与EMC风险评估技术》),或直接以共模电流的形式注入到被测产品的内部电路中,共模电流在产品内部传输的过程中,会转化成差模电压并干扰内部电路正常工作电压(产品电路中的工作电压是差模电压)。对于单端传输信号,如图1所示,当注入到信号线和GND地线上的共模干扰信号进入电路时,在IC1的信号的端口处,由于S1与GND所对应的阻抗不一样(S1较高,GND较低),共模干扰信号会转化成差模信号,差模信号存在与S1与GND之间。这样,干扰会对IC1的输入口产生干扰。滤波电容C的存在,使IC1的级输入受到保护,即在IC1的输入信号端口和地之间的差模干扰被C滤除或旁路(如果没有C的存在,可能干扰就会直接影响IC1的输入信号)。大部分会沿着PCB中的低阻抗地层从一端流向地层的一端,后一级的干扰将会在干扰电流流过地系统中产生。(当然这里忽略的串扰的因数,串扰的存在将使干扰电流的流径路径复杂化,串扰的控制在EMC设计中也是非常重要的一步。)。其中图1中的Z0V表示PCB中两个集成电路之间的地阻抗,VS表示集成电路IC1向集成电路IC2传递的信号电压。
共模干扰电流流过地阻抗Z0V时,Z0V的两端就会产生压降VCM≈Z0V×Iext
该压降对于集成电路IC2来说相当于在IC1传递给它的电压信号VS上又叠加了一个干扰信号VCM,这样IC2实际上接受到的信号为Vs+VCM,这就是干扰。干扰电压的大小不但与共模瞬态干扰的电流大小有关,还与地阻抗Z0V的大小有关。当干扰电流一定的情况下,干扰电压VCM的大小由Z0V决定。也就是说PCB中的地线或地平面阻抗与电路的瞬态抗干扰能力有直接影响。如,一个完整(无过孔、无裂缝)的地平面,在100MHz的频率时,只有3.7mΩ的阻抗。有100A的瞬态电流流过3.7mΩ的阻抗,也只会产生0.37V的压降,这对于3.3V的TTL电平的电路来说,是可以承受的,因为3.3V的TTL电平总是要在0.8V以上的电压下才会发生逻辑转换,这已经是具有相当的抗干扰能力了。再如,流过电快速瞬变脉冲群干扰的地平面存在1cm的裂缝,那么这个裂缝将会有1nH的电感,这样当由100A的电快速瞬变脉冲群共模电流流过时,产生的压降:
V=|L×dI/dt|=1nH×100A/5ns=20V。
20V的压降对3.3V电平的TTL电路来说是非常危险的,可见PCB板中地阻抗对抗干扰能力的重要性。实践证明对于3.3V的TTL电平逻辑电路来说,共模干扰电流在地平面上的压降小于0.4V这将是安全的;如果大于2.0V将是危险的。对于2.5V的TTL电平逻辑电路,这些电压将会更低一点(0.2V和1.7V),从这个意识上,3.3VTTL电平的电路比2.5V电平的TTL电路具有更高的抗干扰能力。
对于PCB中的差分传输信号,当共模电流ICM流过地平面时,必然会在地平面的阻抗Z0V两端产生压降,当共模电流ICM一定时,地平面阻抗越大,压降越大。像单端信号被干扰的原理一样,这个压降犹如施加在差分线的一根信号线与工作地之间,即图2中所示的VCM1、VCM2、VCM3、VCM4。由于差分线对的一根线与参考地之间的阻抗Z1、Z2,接收器与发送器的输入输出阻抗ZS1、ZS2,总是不一样的(寄生参考的影响,实际布线中不可能做到,两根差分线对的对地阻抗一样),造成VCM1、VCM2、VCM3、VCM4的值也不相等,差异部分即转化为差分线对之间的干扰电压Vdiff,对差分信号电路产生干扰。可见,对于差分电路来说,地平面的阻抗也同样重要,但PCB布线时保证差分线对的各种寄生参数平衡一致更为重要。
传导性共模抗干扰测试是一种试图向PCB和板间互连信号线注入共模电流的测试,PCB将由于注入共模电流而受干扰,任何能降低流过PCB的设计方法都是好方法;
传导性共模干扰是共模电压通过共模电流转化为差模干扰电压的过程;
共模电流流过PCB或板间互连线是电路受干扰的主要原因,共模电流有时会引起差模耦合,较易解决;
EFT、ESD、BCI、Surge(除差模注入外)等测试项目其干扰原理类似,只是注入方式与干扰源表现形式不同;
分析流过PCB和板间互连线的共模电流是分析抗干扰问题的关键,抗干扰风险评估即为评估能降低流过PCB和板间互连线共模电流的措施有效性。