共模電流

 

通過測(cè)量電纜上的共模電流（有時(shí)候也涉及到天線電流），可以幫助確定故障，并可以在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室階段就應(yīng)用一些整改的措施。另外，在給定的電纜電流的情況下，產(chǎn)品是否能夠通過相關(guān)的室內(nèi)測(cè)試，您也可以據(jù)此進(jìn)行估計(jì)，而且這種估計(jì)也比較準(zhǔn)確。當(dāng)您的測(cè)試時(shí)間已經(jīng)非常緊張的時(shí)候，這將有助于您節(jié)省大量的產(chǎn)品整改的時(shí)間。我也會(huì)為您展示幾種自制（DIY，do-it-yourself ）探頭的方法，這些方法做起來很快，而且在必要的時(shí)候也非常有效。

 

圖1：電路回路中的共模電流。電路中的源是一個(gè)數(shù)字信號(hào)（帶諧波），其負(fù)載被假定為阻性。因?yàn)檫h(yuǎn)端導(dǎo)線上的相電流和近端導(dǎo)線上的相電流的流向是相同的，所以其合成相量相較于差模電流產(chǎn)生的相量會(huì)更大。在這種情況下，為了限制輻射發(fā)射的水平，降低諧波成分的大?。p慢數(shù)字信號(hào)的上升/下降時(shí)間）或者轉(zhuǎn)移/限制共模電流是非常重要的。

 

電流探頭：操作原理

 

射頻電流探頭是一個(gè)初級(jí)類型為插入式的射頻電流變壓器。即，當(dāng)我們將探頭夾在待測(cè)電流流經(jīng)的導(dǎo)線或者電纜上的時(shí)候，這些導(dǎo)體就構(gòu)成了變壓器的初級(jí)線圈。這種探頭的夾合特性使得它很容易被安置在任意導(dǎo)體或者電纜的四周。其本質(zhì)就是一個(gè)寬帶的高頻變壓器。利用電流探頭，可以在不對(duì)電路造成物理影響的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜上的高頻電流的測(cè)量。既然打算將電流探頭夾合在導(dǎo)線上，那么如圖2 所示的變壓器初級(jí)實(shí)際上就是待測(cè)共模電流流過的電導(dǎo)體本身。另外，因?yàn)楣材ｋ娏鞅徽J(rèn)為是流過導(dǎo)體后，再經(jīng)過回流導(dǎo)體（例如：框架，共地面或者接地）返回到電源的，所以這個(gè)變壓器的初級(jí)線圈通常被認(rèn)為只有一匝。在某些電流探頭的模型中，次級(jí)輸出端內(nèi)部接的是阻性負(fù)載，這樣可以在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)提供非常穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移阻抗。

 

圖2：基本的電流探頭（高頻電流變壓器）

 

商業(yè)的電流探頭

 

盡管商業(yè)的電流探頭的價(jià)格不菲，但其優(yōu)勢(shì)在于它可以在電纜四周進(jìn)行打開和關(guān)合的操作，而無需將其穿到電纜上。如圖3 所示。當(dāng)然，如果將其與如下所示的自制探頭（DIY）相比，商業(yè)電流探頭會(huì)顯得粗糙的多，弊端也不少。最后，這些探頭的特性參數(shù)非常準(zhǔn)確，這將允許它們被用于對(duì)電纜電流進(jìn)行精確的測(cè)量。

 

圖3：商業(yè)電流探頭的示例

 

自制電流探頭

 

必要的時(shí)候，您也可以制作一個(gè)自己的電流探頭。圖4 和圖5 中給出了各種自制的電流探頭。典型的，我通常會(huì)找一個(gè)鐵氧體的磁芯或者夾合磁芯，這些磁芯能夠在從10MHz~1000MHz 的頻率范圍提供很好的高頻特性。接下來您要做的全部工作就是在磁芯上繞制幾圈（不需要太挑剔）線圈，然后端接一個(gè)同軸的連接頭就可以了。繞制的導(dǎo)線之間要盡量隔開（如圖4 所示），這樣能減小相鄰線圈之間的電容，從而能夠提供更好的高頻特性。對(duì)夾合型鐵氧體探頭的性能而言，高頻性能的下降是其最大的缺陷和不足。

 

圖4：基于大螺旋管磁芯的自制電流探頭（DIY）示例

 

這些圖片是在探頭的電場(chǎng)屏蔽結(jié)構(gòu)被安裝之前拍攝的。這種屏蔽結(jié)構(gòu)由線圈外面包圍的一層銅帶構(gòu)成，而且在螺旋管內(nèi)側(cè)還留了一圈小 間隙。圖中使用的探頭，將14圈特氟龍（聚四氟乙烯）絕緣的導(dǎo)線繞制在伍爾特電子（Würth Electronik）的型號(hào)為#74270097的磁芯（材料為4W620）上，它在10MHz~1000MHz的頻率范圍都可以使用。

 

圖5：基于夾合型鐵氧體扼流環(huán)的自制電流探頭示例

 

我曾經(jīng)使用過一對(duì)Steward（現(xiàn)在已經(jīng)變成了Laird Technologies的一個(gè)部門）的扼流環(huán)，其中一個(gè)是圓的（型號(hào)為28A3851- 0A2），另一個(gè)是方的（型號(hào)為28A2024-0A2）。對(duì)這兩個(gè)探頭而言，每一個(gè)都是在半個(gè)磁環(huán)上繞制7匝的特氟龍（聚四氟乙烯）絕緣的導(dǎo)線線圈，而且為了固定這些線圈，其內(nèi)側(cè)涂都抹了膠。后來，我又在線圈的外側(cè)用環(huán)氧樹脂膠合固定了一個(gè)原本用于印刷電路板的BNC連接頭。在膠合固定的時(shí)候，要注意使用足夠多的環(huán)氧樹脂以保證線圈外部被固定在一起。使用的材料是28型，它在10MHz~1000MHz的頻率范圍都可以使用。

 

轉(zhuǎn)移阻抗

 

通過將電流探頭的輸出電壓（V，單位毫伏）除以電流探頭的轉(zhuǎn)移阻抗（ZT）就可以得到待測(cè)導(dǎo)體上的共模電流（Ic，單位mA）。

 

I = V/ZT （1）

 

或者用分貝做單位，可以得到

 

I(dBμA) = V(dBμV) – ZT(dBΩ) （2）

 

我們可以通過讓一個(gè)已知的射頻電流（Ic）流過初級(jí)的待測(cè)導(dǎo)體，然后記錄該電流流過50Ω 負(fù)載所形成的電壓（V），由此確定電流探頭在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的典型轉(zhuǎn)移阻抗。即

 

ZT = V/Ic（ 標(biāo)準(zhǔn)單位） （3）

 

或者

 

ZT(dBΩ) = V(dB∫V) – Ic(dB∫A) （4）

 

Fischer 型號(hào)為F-33-1 的電流探頭是一款常用的故障處理工具，它在從2MHz~250MHz 的頻率范圍內(nèi)具有平的頻率響應(yīng)（如圖6 所示）。其轉(zhuǎn)移阻抗約為5Ω（圖中約為14dBΩ），因此1μA 的電流會(huì)讓電流探頭產(chǎn)生一個(gè)5μV 的輸出。

 

圖6：F-33-1型電流探頭的轉(zhuǎn)移阻抗（Z T）曲線圖（承蒙F i s c h e r C u s tom

 

Communications提供本圖片）。其中，X軸代表的是頻率，Y軸的單位是dBΩ。

 

在探頭終端的電壓測(cè)量值（V：dBμV)）和轉(zhuǎn)移阻抗（ZT）已知的情況下，可以用圖表按照2式來計(jì)算出IC的值。

 

探頭的校準(zhǔn)

 

射頻電流探頭的精確校準(zhǔn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。其實(shí)，比所謂的校準(zhǔn)更加準(zhǔn)確的一種說法應(yīng)該是確定電流探頭的特性。我們必須正確的確定探頭的特性，其過程要能夠反映出用戶使用探頭的方式。探頭的制造商通常會(huì)銷售一種校準(zhǔn)器具，其阻抗會(huì)保持為50Ω。將50Ω 的負(fù)載連接到電流探頭的輸出端，而其輸入端則連接一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的射頻信號(hào)發(fā)生器（或者網(wǎng)絡(luò)分析儀）。將需要確定特性的探頭夾合在校準(zhǔn)器具上，一邊測(cè)量探頭的輸出，一邊掃描頻率。

 

我的測(cè)試設(shè)置雖然有點(diǎn)過原始化，但就故障排除的目的而言，它已經(jīng)非常好了。其中，我在輸出端口和串聯(lián)的50Ω 負(fù)載之間使用了一小段低阻抗的導(dǎo)線。我將信號(hào)發(fā)生器的輸出調(diào)整到0dBm（一個(gè)非常方便計(jì)算的數(shù)值）。這相當(dāng)于在50Ω 的電阻上建立起224mV 的電壓（或者73 dBμA的電流）。其實(shí)，信號(hào)發(fā)生器實(shí)際輸出的大小并不重要，只要它在探頭上產(chǎn)生的輸出電壓足夠大，大到能夠在接收機(jī)和頻譜分析儀上被顯示出來就可以了。我用來監(jiān)測(cè)探頭輸出的是Thurlby Thander TTi PSA2701T 的手持式頻譜分析儀。

 

如果知道了導(dǎo)線上的電流（單位是dBμA）和探頭的輸出（單位是dBμV），那么通過做減法V（dBμV）– ic（dBμA）就可以得到轉(zhuǎn)移阻抗的曲線圖（單位是dB）。對(duì)這里的測(cè)試而言，就是zt(dBΩ) = V(dBμV) – 73。雖然從教學(xué)的角度看，自制探頭非常有用，但我并不傾向于使用自制的探頭來預(yù)計(jì)是否能夠通過測(cè)試，我會(huì)在后面就此進(jìn)行說明。但是，因?yàn)閺妮敵鲭妷旱慕嵌葋砜?，自制探頭和商業(yè)探頭的效果相當(dāng)，所以我相信（實(shí)際中也得到了驗(yàn)證）自制探頭完全適合用于故障處理。這時(shí)，您只需要知道電磁兼容設(shè)計(jì)的整改措施讓電纜上的電流好轉(zhuǎn)了還是惡化了。

 

對(duì)是否能夠通過測(cè)試進(jìn)行預(yù)測(cè)

 

通過測(cè)量故障頻率的共模來預(yù)測(cè)某特定電纜是否能夠通過輻射發(fā)射測(cè)試的思路是可行的。即，從圖6 中讀取探頭的轉(zhuǎn)移阻抗Zt（dBΩ），然后利用上式（2）求解計(jì)算得到ic。接著，將ic（安培）代入式（5）就可以計(jì)算出電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）了。式中，L 代表電纜的長度，單位為米，故障諧波頻率為f，其單位為Hz。另外，表達(dá)式中的d 代表的是測(cè)試距離，要么取為3m，要么取為10m。由此，可以預(yù)測(cè)在相應(yīng)測(cè)試距離下的測(cè)試結(jié)果。

 

一旦確定某特定電纜的共模電流導(dǎo)致輻射發(fā)射測(cè)試不能通過，您應(yīng)該檢查一下連接頭，即電纜連接到設(shè)備外殼的地方。之所以如此，是因?yàn)槲医?jīng)常發(fā)現(xiàn)連接頭的屏蔽外殼與設(shè)備的屏蔽外殼之間的搭接不牢固甚至根本就沒有搭接。這些地方必須搭接良好，以保證共模電流在設(shè)備內(nèi)部就可以回流到源，從而避免引起電纜相應(yīng)的電磁發(fā)射。就相關(guān)問題，請(qǐng)您參考我已經(jīng)發(fā)表過的一篇文章，它會(huì)介紹更多有關(guān)輻射發(fā)射故障解決方法的信息。

 

如前所述，造成輻射發(fā)射故障的最常見的原因在于產(chǎn)品框架與連接頭的屏蔽外殼搭接不良。尤其是連接頭本來就是被固定在電路板上的，它僅僅只是松散的穿出產(chǎn)品的屏蔽外殼，這種情況就更嚴(yán)重了。如果連接頭的搭接不良，內(nèi)部生成的共模電流就有可能被泄露，從而流到輸入/ 輸出端口的外部、鼠標(biāo)或者鍵盤的電纜上。更糟糕的是，它還會(huì)將靜電放電引入產(chǎn)品內(nèi)部。如果這些電流被引導(dǎo)著流到了設(shè)備外殼以外，那么連接頭上的電纜就會(huì)變成一個(gè)輻射天線（因?yàn)槠涞湫偷拈L度為1m，所以其諧振頻率通常約為300MHz）。

 

這里介紹一個(gè)我工作中剛剛遇到的案例，它是一個(gè)新的數(shù)字示波器原型機(jī)。設(shè)備輸入/ 輸出端口上的連接器被完全焊接到了印刷電路板上，而印刷電路板則被牢固的固定到了設(shè)備外殼的背面，連接器也只是簡單的從設(shè)備外殼背面的開口處突出出來。

 

當(dāng)我利用電流探頭測(cè)量沿待測(cè)USB 電纜流出的共模電流的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)，只需要簡單的用我的瑞士軍刀里的螺絲刀把連接頭搭接腳與設(shè)備框架金屬外殼之間的縫隙塞緊，電纜電流就能整體下降10 分貝到15 分貝。

 

上述問題的解決方法就是加工一個(gè)用戶自定義的帶簧片搭腳的薄墊片，把墊片套在所有的連接頭上，從而在連接頭的地層與設(shè)備外殼屏蔽層之間建立起牢固的搭接?，F(xiàn)在有越來越多的低成本產(chǎn)品依靠固定在印刷電路板上的輸入/ 輸出端口的連接頭，將其作為削減成本的一種方法。一旦發(fā)現(xiàn)這種問題，您最好仔細(xì)檢查一下連接頭的地層與設(shè)備屏蔽外殼之間的搭接情況。

 

利用電流探頭來排除故障的相關(guān)提示

 

接下來介紹的是一些利用電流探頭排除故障的提示。

 

1. 當(dāng)我們?cè)诶秒娏魈筋^評(píng)估電纜上的諧波的時(shí)候，如果前后挪動(dòng)探頭會(huì)改變諧波測(cè)量的數(shù)值，那么可能有一部分的耦合不是由傳導(dǎo)造成，而是因?yàn)榻鼒?chǎng)耦合。

 

2. 當(dāng)我們利用一對(duì)電流探頭進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)探頭分別測(cè)試兩條電纜中的一條的時(shí)候，如果兩個(gè)探頭的諧波測(cè)量結(jié)果是相同的，那么諧波的源頭就應(yīng)該在兩條電纜的中間。如果發(fā)現(xiàn)一條電纜的諧波測(cè)量結(jié)果更大，那么您就應(yīng)該首先在相應(yīng)一側(cè)的電纜上進(jìn)行查找和整改工作。如圖11 所示。

 

3. 如果對(duì)疑似偶極子天線兩臂上的電流進(jìn)行測(cè)試，那么您得到的兩個(gè)讀數(shù)應(yīng)該是相同的。如果將兩個(gè)疑似的天線臂同時(shí)穿入同一個(gè)電流探頭，就會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)的劇烈下降，畢竟兩天線臂上的電流是反向抵消的。

 

4. 當(dāng)我們測(cè)量視頻電纜上的電流的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)電纜的大幅度運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的劇烈變化，那么耦合可能是感性的，否則就更可能是傳導(dǎo)性的。

 

5. 如果您懷疑是感性耦合，那么受到影響的部分的信號(hào)相位會(huì)相較源頭發(fā)生180 度的變化。通過一個(gè)示波器和磁場(chǎng)探頭或者電流探頭就可以觀察到這一點(diǎn)。您可以用示波器探頭來嘗試一下將示波器的觸發(fā)和源進(jìn)行同步的操作。

 

圖11：當(dāng)我們測(cè)量某個(gè)系統(tǒng)里的兩條電纜的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)諧波的測(cè)量結(jié)果接近

 

于相等（點(diǎn)1和點(diǎn)2位置處的測(cè)量結(jié)果相同），那么故障的源頭應(yīng)該就位于待測(cè)設(shè)備的中間，兩條電纜起到了類似偶極子天線的作用。您可能會(huì)注意到，諧波強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果會(huì)出現(xiàn)峰值，這個(gè)峰值出現(xiàn)的地方就位于兩條電纜長度連接起來以后中間的位置。如果一側(cè)或者另一側(cè)的諧波電流的測(cè)量結(jié)果更大，那么您就應(yīng)該在相應(yīng)的電纜上排查故障。

 

總結(jié)

 

在故障排查的過程中，使用電流探頭是非常關(guān)鍵的。通過電流探頭可以發(fā)現(xiàn)電纜連接頭搭接不良的問題，并進(jìn)行整改。另外，我們也可以通過測(cè)量流過電纜的高頻共模電流的大小來推算出連接到設(shè)備輸入/ 輸出端口的電纜所輻射出的電場(chǎng)。所有這些工作可以僅在設(shè)計(jì)人員的工作臺(tái)面上來完成，也無需支付到第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)或者屏蔽室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試的相關(guān)費(fèi)用。