一、初識共模電感

　　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。在板卡設(shè)計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

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　　圖1：各種CMC

　　小知識：EMI(Electro Magnetic Interference，電磁干擾)

　　計算機內(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，它們工作時會產(chǎn)生大量高頻電磁波互相干擾，這就是EMI。EMI還會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，還對人體有害。

　　PC板卡上的芯片在工作過程中既是一個電磁干擾對象，也是一個電磁干擾源。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線間，其傳導方向與波形和信號電流一致;共模干擾電流作用在信號線路和地線之間，干擾電流在兩條信號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。

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　　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的CISPR22以及我國的GB9254等標準規(guī)范等都對信息技術(shù)設(shè)備通信端口的共模傳導干擾和輻射發(fā)射有相關(guān)的限制要求。為了消除信號線上輸入的干擾信號及感應(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組成部分。

　　共模電感實質(zhì)上是一個雙向濾波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，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。

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　　圖2

　　圖2是我們常見的共模電感的內(nèi)部電路示意圖，在實際電路設(shè)計中，還可以采用多級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。

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　　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，我們需要從共模電感的結(jié)構(gòu)開始分析。

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　　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，當電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，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，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(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)生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達到濾波的目的。

　　事實上，將這個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信號被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號傳入，又可以衰減線路自身工作時產(chǎn)生的EMI信號，能有效地降低EMI干擾強度。

　　小知識：漏感和差模電感

　　對理想的電感模型而言，當線圈繞完后，所有磁通都集中在線圈的中心內(nèi)。但通常情況下環(huán)形線圈不會繞滿一周，或繞制不緊密，這樣會引起磁通的泄漏。共模電感有兩個繞組，其間有相當大的間隙，這樣就會產(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)計中，我們也可以利用漏感。如在普通的濾波器中，僅安裝一個共模電感，利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感，起到對差模電流的抑制作用。有時，還要人為增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，以達到更好的濾波效果。

　　三、從看板卡整體設(shè)計看共模電感

　　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，我們都會發(fā)現(xiàn)省略了該元件，甚至有的連位置也沒有預留。這樣的主板，合格嗎?

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　　圖4-1： 主板上的共模電感(有、無)

　　不可否認，共模電感對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。但同時也需要指出，板卡的防EMI設(shè)計是一個相當龐大和系統(tǒng)化的工程，采用共模電感的設(shè)計只是其中的一個小部分。高速接口處有共模電感設(shè)計的板卡，不見得整體防EMI設(shè)計就優(yōu)秀。所以，從共模濾波電路我們只能看到板卡設(shè)計的一個方面，這一點容易被大家忽略，犯下見木不見林的錯誤。

　　只有了解了板卡整體的防EMI設(shè)計，我們才可以評價板卡的優(yōu)劣。那么，優(yōu)秀的板卡設(shè)計在防EMI性能上一般都會做哪些工作呢?

　　●主板Layout(布線)設(shè)計

　　對優(yōu)秀的主板布線設(shè)計而言，時鐘走線大多會采用屏蔽措施或者靠近地線以降低EMI。對多層PCB設(shè)計，在相鄰的PCB走線層會采用開環(huán)原則，導線從一層到另一層，在設(shè)計上就會避免導線形成環(huán)狀。如果走線構(gòu)成閉環(huán)，就起到了天線的作用，會增強EMI輻射強度。

　　信號線的不等長同樣會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)計中都會將信號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，蛇形線在布線時也會最大限度地減小彎曲的擺幅，以減小環(huán)形區(qū)域的面積，從而降低輻射強度。

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　　圖4-2： 主板的蛇形布線

　　在高速PCB設(shè)計中，走線的長度一般都不會是時鐘信號波長1/4的整數(shù)倍，否則會產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生嚴重的EMI輻射。同時走線要保證回流路徑最小而且通暢。對去耦電容的設(shè)計來說，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。

　　當然，上述只是PCB防EMI設(shè)計中的一小部分原則。主板的Layout設(shè)計是一門非常復雜而精深的學問，甚至很多DIYer都有這樣的共識：Layout設(shè)計得優(yōu)秀與否，對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，這是絕對不可能的，因為我們沒有辦法將電磁干擾一個個地“包”起來，因此要采用其他辦法來降低干擾的程度。主板PCB中的金屬導線是傳遞干擾電流的罪魁禍首，它像天線一樣傳遞和發(fā)射著電磁干擾信號，因此在合適的地方“截斷”這些“天線”是有用的防EMI的方法。“天線”斷了，再以一圈絕緣體將其包圍，它對外界的干擾自然就會大大減小。如果在斷開處使用濾波電容還可以更進一步降低電磁輻射泄露。這種設(shè)計能明顯地增加高頻工作時的穩(wěn)定性和防止EMI輻射的產(chǎn)生，許多大的主板廠商在設(shè)計上都使用了該方法。

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　　圖5： USB和IEEE 1394接口附近的斷開設(shè)計

　　圖注：“斷開”的設(shè)計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

　　不知大家是否注意到，現(xiàn)在的主板都會附送一塊開口的薄鐵擋片，其實這也是用來防EMI的。雖然現(xiàn)在的機箱EMI屏蔽性能都不錯，但電磁波還是會從機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。對方形孔而言，L就是其對角線長度。

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　　圖6

　　使用了擋片之后，擋片上翹起的金屬觸片會和主板上的輸入輸出部分很好地通過機箱接地，不但衰減了EMI，而且減小了方孔的尺寸，進一步縮小L值，從而可以更有效地屏蔽電磁干擾輻射(圖7)。

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　　圖7：使用了擋片后，L尺寸減小

　　上述三點只是主板設(shè)計中除電路設(shè)計之外的幾個主要防EMI設(shè)計，由此可見，主板的防EMI設(shè)計是一個整體的概念，如果整體的設(shè)計不合格，就會帶來較大的電磁輻射，而這些也不是一個小小的共模電感所能彌補的。

　　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;但是對于那些整體設(shè)計優(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)計和做工來衡量其品質(zhì)。