共模電流

 

通過測量電纜上的共模電流（有時候也涉及到天線電流），可以幫助確定故障，并可以在研發(fā)實驗室階段就應(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)測試，您也可以據(jù)此進(jìn)行估計，而且這種估計也比較準(zhǔn)確。當(dāng)您的測試時間已經(jīng)非常緊張的時候，這將有助于您節(jié)省大量的產(chǎn)品整改的時間。我也會為您展示幾種自制（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。電路中的源是一個數(shù)字信號（帶諧波），其負(fù)載被假定為阻性。因為遠(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)字信號的上升/下降時間）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初級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電流流經(jīng)的導(dǎo)線或者電纜上的時候，這些導(dǎo)體就構(gòu)成了變壓器的初級線圈。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)就是一個寬帶的高頻變壓器。利用電流探頭，可以在不對電路造成物理影響的情況下，實現(xiàn)對電纜上的高頻電流的測量。既然打算將電流探頭夾合在導(dǎo)線上，那么如圖2 所示的變壓器初級實際上就是待測共模電流流過的電導(dǎo)體本身。另外，因為共模電流被認(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，所以這個變壓器的初級線圈通常被認(rèn)為只有一匝。在某些電流探頭的模型中，次級輸出端內(nèi)部接的是阻性負(fù)載，這樣可以在一個很寬的頻率范圍內(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)的電流探頭的價格不菲，但其優(yōu)勢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電纜電流進(jìn)行精確的測量。

 

圖3：商業(yè)電流探頭的示例

 

自制電流探頭

 

必要的時候，您也可以制作一個自己的電流探頭。圖4 和圖5 中給出了各種自制的電流探頭。典型的，我通常會找一個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Steward（現(xiàn)在已經(jīng)變成了Laird Technologies的一個部門）的扼流環(huán)，其中一個是圓的（型號為28A3851- 0A2），另一個是方的（型號為28A2024-0A2）。對這兩個探頭而言，每一個都是在半個磁環(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原本用于印刷電路板的BNC連接頭。在膠合固定的時候，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已知的射頻電流（Ic）流過初級的待測導(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 的電流會讓電流探頭產(chǎn)生一個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)是一個非常復(fù)雜的過程。其實，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銷售一種校準(zhǔn)器具，其阻抗會保持為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經(jīng)過校準(zhǔn)的射頻信號發(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，一邊測量探頭的輸出，一邊掃描頻率。

 

我的測試設(shè)置雖然有點過原始化，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。我將信號發(fā)生器的輸出調(diào)整到0dBm（一個非常方便計算的數(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，信號發(fā)生器實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）。對這里的測試而言，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)計是否能夠通過測試，我會在后面就此進(jìn)行說明。但是，因為從輸出電壓的角度來看，自制探頭和商業(yè)探頭的效果相當(dāng)，所以我相信（實際中也得到了驗證）自制探頭完全適合用于故障處理。這時，您只需要知道電磁兼容設(shè)計的整改措施讓電纜上的電流好轉(zhuǎn)了還是惡化了。

 

對是否能夠通過測試進(jìn)行預(yù)測

 

通過測量故障頻率的共模來預(yù)測某特定電纜是否能夠通過輻射發(fā)射測試的思路是可行的。即，從圖6 中讀取探頭的轉(zhuǎn)移阻抗Zt（dBΩ），然后利用上式（2）求解計算得到ic。接著，將ic（安培）代入式（5）就可以計算出電場強度（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 代表的是測試距離，要么取為3m，要么取為10m。由此，可以預(yù)測在相應(yīng)測試距離下的測試結(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，是因為我經(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，請您參考我已經(jīng)發(fā)表過的一篇文章，它會介紹更多有關(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變成一個輻射天線（因為其典型的長度為1m，所以其諧振頻率通常約為300MHz）。

 

這里介紹一個我工作中剛剛遇到的案例，它是一個新的數(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)我利用電流探頭測量沿待測USB 電纜流出的共模電流的時候，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)我們在利用電流探頭評估電纜上的諧波的時候，如果前后挪動探頭會改變諧波測量的數(shù)值，那么可能有一部分的耦合不是由傳導(dǎo)造成，而是因為近場耦合。

 

2. 當(dāng)我們利用一對電流探頭進(jìn)行測試，每個探頭分別測試兩條電纜中的一條的時候，如果兩個探頭的諧波測量結(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. 如果對疑似偶極子天線兩臂上的電流進(jìn)行測試，那么您得到的兩個讀數(shù)應(yīng)該是相同的。如果將兩個疑似的天線臂同時穿入同一個電流探頭，就會導(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)我們測量視頻電纜上的電流的時候，如果發(fā)現(xiàn)電纜的大幅度運動會導(dǎo)致測量結(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相位會相較源頭發(fā)生180 度的變化。通過一個示波器和磁場探頭或者電流探頭就可以觀察到這一點。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)我們測量某個系統(tǒng)里的兩條電纜的時候，如果發(fā)現(xiàn)諧波的測量結(jié)果接近

 

于相等（點1和點2位置處的測量結(jié)果相同），那么故障的源頭應(yīng)該就位于待測設(shè)備的中間，兩條電纜起到了類似偶極子天線的作用。您可能會注意到，諧波強度的測試結(jié)果會出現(xiàn)峰值，這個峰值出現(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。所有這些工作可以僅在設(shè)計人員的工作臺面上來完成，也無需支付到第三方測試機(jī)構(gòu)或者屏蔽室內(nèi)進(jìn)行測試的相關(guān)費用。