一、初識共模電感

  共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用於電腦的開關電源中過濾共模的電磁干擾訊號。在板卡設計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用於抑制高速訊號線產生的電磁波向外輻射發射。

　圖1：各種CMC

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

  計算機內部的主機板上混合了各種高頻電路、數位電路和類比電路，它們工作時會產生大量高頻電磁波互相干擾，這就是EMI。EMI還會通過主機板佈線或外接線纜向外發射，造成電磁輻射汙染，不但影響其他的電子裝置正常工作，還對人體有害。

　　PC板卡上的晶片在工作過程中既是一個電磁干擾物件，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)。以主機板上的兩條PCB走線(連線主機板各元件的導線)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。串模干擾電流作用於兩條訊號線間，其傳導方向與波形和訊號電流一致;共模干擾電流作用在訊號線路和地線之間，干擾電流在兩條訊號線上各流過二分之一且同向，並以地線為公共迴路，如圖1-1所示。

圖1-1： 串模干擾和共模干擾

  如果板卡產生的共模電流不經過衰減過濾(尤其是像USB和IEEE 1394介面這種高速介面走線上的共模電流)，那麼共模干擾電流就很容易通過介面資料線產生電磁輻射——線上纜中因共模電流而產生的共模輻射。美國FCC、國際無線電干擾特別委員會的CISPR22以及我國的GB9254等標準規範等都對資訊科技裝置通訊埠的共模傳導干擾和輻射發射有相關的限制要求。為了消除訊號線上輸入的干擾訊號及感應的各種干擾，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。

　　共模電感實質上是一個雙向濾波器：一方面要濾除訊號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發出電磁干擾，避免影響同一電磁環境下其他電子裝置的正常工作。

圖2

  圖2是我們常見的共模電感的內部電路示意圖，在實際電路設計中，還可以採用多級共模電路來更好地濾除電磁干擾。此外，在主機板上我們也能看到一種貼片式的共模電感(圖3)，其結構和功能與直立式共模電感幾乎是一樣的。

二、從工作原理看共模電感

　　為什麼共模電感能防EMI?要弄清楚這點，我們需要從共模電感的結構開始分析。

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。這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數和相位都相同(繞制反向)。這樣，當電路中的正常電流流經共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消，此時正常訊號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當有共模電流流經線圈時，由於共模電流的同向性，會線上圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現為高阻抗，產生較強的阻尼效果，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，另一端接被幹擾裝置，則La和C1，Lb和C2就構成兩組低通濾波器，可以使線路上的共模EMI訊號被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI訊號傳入，又可以衰減線路自身工作時產生的EMI訊號，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，當線圈繞完後，所有磁通都集中線上圈的中心內。但通常情況下環形線圈不會繞滿一週，或繞制不緊密，這樣會引起磁通的洩漏。共模電感有兩個繞組，其間有相當大的間隙，這樣就會產生磁通洩漏，並形成差模電感。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、從看板卡整體設計看共模電感

  不可否認，共模電感對主機板高速介面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餘外設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設計是一個相當龐大和系統化的工程，採用共模電感的設計只是其中的一個小部分。高速介面處有共模電感設計的板卡，不見得整體防EMI設計就優秀。所以，從共模濾波電路我們只能看到板卡設計的一個方面，這一點容易被大家忽略，犯下見木不見林的錯誤。

　　只有瞭解了板卡整體的防EMI設計，我們才可以評價板卡的優劣。那麼，優秀的板卡設計在防EMI效能上一般都會做哪些工作呢?

　　●主機板Layout(佈線)設計

　　對優秀的主機板佈線設計而言，時鐘走線大多會採用遮蔽措施或者靠近地線以降低EMI。對多層PCB設計，在相鄰的PCB走線層會採用開環原則，導線從一層到另一層，在設計上就會避免導線形成環狀。如果走線構成閉環，就起到了天線的作用，會增強EMI輻射強度。

　　訊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，在板卡設計中都會將訊號線以蛇形線方式處理使其阻抗儘可能的一致，減弱共模干擾。同時，蛇形線在佈線時也會最大限度地減小彎曲的擺幅，以減小環形區域的面積，從而降低輻射強度。

圖4-2： 主機板的蛇形佈線

  在高速PCB設計中，走線的長度一般都不會是時鐘訊號波長1/4的整數倍，否則會產生諧振，產生嚴重的EMI輻射。同時走線要保證迴流路徑最小而且通暢。對去耦電容的設計來說，其設定要靠近電源管腳，並且電容的電源走線和地線所包圍的面積要儘可能地小，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設計中的一小部分原則。主機板的Layout設計是一門非常複雜而精深的學問，甚至很多DIYer都有這樣的共識：Layout設計得優秀與否，對主機板的整體效能有著極為重大的影響。

●主機板佈線的劃斷

　　如果想將主機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，因此要採用其他辦法來降低干擾的程度。主機板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射著電磁干擾訊號，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洩露。這種設計能明顯地增加高頻工作時的穩定性和防止EMI輻射的產生，許多大的主機板廠商在設計上都使用了該方法。

圖5： USB和IEEE 1394介面附近的斷開設計

  圖注：“斷開”的設計用來阻止電磁干擾借這些介面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介面部分採用該設計後，可在很大程度上大大改善EMI電流向外輻射的可能。

●主機板介面的設計

　 不知大家是否注意到，現在的主機板都會附送一塊開口的薄鐵擋片，其實這也是用來防EMI的。雖然現在的機箱EMI遮蔽效能都不錯，但電磁波還是會從機箱表面的開孔處洩漏出來，如PS/2介面、USB介面以及並、串列埠等的開口處。孔的大小決定了電磁干擾的洩露程度。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。

圖6

  使用了擋片之後，擋片上翹起的金屬觸片會和主機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，從而可以更有效地遮蔽電磁干擾輻射(圖7)。

圖7：使用了擋片後，L尺寸減小

  上述三點只是主機板設計中除電路設計之外的幾個主要防EMI設計，由此可見，主機板的防EMI設計是一個整體的概念，如果整體的設計不合格，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效能低下?這樣的說法顯然是頗為片面的。

　　誠然，由於國家現在的EMI相關規範並不健全，部分廠商為了省料就鑽了這個空子，在整體防EMI效能上都大肆省料壓縮成本(其中就包括共模電感的省略)，這樣做的直接後果就是主機板防EMI效能極其低下;但是對於那些整體設計優秀，用料不縮水的主機板，即使沒有共模電感，其整體防EMI效能仍能達到相關要求，這樣的產品仍然是合格的。因此，單純就是否有共模電感這一點來判斷主機板的優劣，我們是無法得出結論的，這需要我們綜合主機板的整體設計和做工來衡量其品質。