第09章 传导 EMI 测量：LISN 与限值曲线

这一篇在干嘛？

要治传导 EMI，先要会”量”它。这一章讲清两件事：一是传导噪声的两大成分——差模（DM）和共模（CM）——分别是什么、怎么从测量值里分解出来；二是 LISN（线路阻抗稳定网络）怎么把全世界的测量变成可重复的，以及 CISPR 22 限值曲线和峰值/准峰值/平均值三种检波器的区别。

差模与共模噪声：两类传导发射

看图 9-1：L 是火线（Line），N 是零线（Neutral），E 是安全地/大地（Protective Earth），EUT 是被测设备（Equipment Under Test）。

差模噪声（DM，Differential Mode）——又叫对称模式、常态模式：

• 噪声源跨接在 L 和 N 之间，推/拉电流 $I_{dm}$ 沿两根线一进一出构成回路；
• 不流经地线；
• 注意 $I_{dm}$ 不包含电源的正常工作电流——工作电流虽然也是”差分”的，但它不是噪声，频率也只有 100/120 Hz（及其低次谐波），远低于传导 EMI 测试频段（150 kHz–30 MHz）。但它会直流偏置滤波电感，间接影响 EMI 滤波器性能，不能彻底忘掉。

共模噪声（CM，Common Mode）——又叫非对称模式、对地漏电模式：

• 噪声源一端接地，另一端经相等的阻抗分别接到 L 和 N，向两根线馈入大小相等、方向相同的电流；
• 净共模电流 $I_{cm}$ 从地线（大地）流回。

三个实战要点：

1. 阻抗不平衡会”变魔术”：如果 L、N 两线阻抗不相等（实际电源里这才是常态），共模电流分布就不对称——而这种”非对称模式”等效于真 CM 混上一部分 DM。
2. 共模噪声会在子系统输入端变身：你用示波器差分探头测输出纹波，避开了共模成分，觉得输出很干净。但下游子系统看输入时，两输入端对地的阻抗几乎从不平衡——原本的共模噪声在那里变成了差模输入纹波。子系统前级的非平衡滤波（比如只在一条线上加电感）只会火上浇油，再高的 CMRR 也救不了。所以：在噪声产生处压共模永远是第一优先级，其次是把线路阻抗做平衡（比如每条线各放一个电感的平衡滤波器）。
3. 共模噪声更高频、更会辐射：共模电流天生高频成分远多于差模，辐射能力极强。经验法则：1 米长导线上只要有 5 µA 共模电流，就能违反 FCC Class B 辐射限值（Class A 是 15 µA）——而标准电源线最短就是 1 m！

常见坑：CM 源是"电流源"，比 DM 难缠

差模噪声由摆动的（脉动）电流引发，但 DM 噪声源本身更像电压源——用 LC 滤波器砌一堵”阻抗墙”就能挡住。共模噪声由摆动的电压引发，但 CM 噪声源本身更像电流源——电流源非要找到回路才罢休，会抬高电压翻越阻抗墙；它的回路可以经过机壳，让整个机壳变成大天线。这就是共模噪声”顽固”的物理原因。

例题 1：从两条线的测量值分解 CM 和 DM

题：规定”从右向左”为正方向。在 L 线测得 2 µA（从右向左），在 N 线测得 5 µA（从左向右，即 −5 µA）。求共模和差模分量。

解：按定义列方程（$I_{cm}$ 是流过地线的净共模电流，每条线分 $I_{cm}/2$）：

$$I_L=\frac{I_{cm}}{2}+I_{dm}=2\mu \text{A}$$ $$I_N=\frac{I_{cm}}{2}-I_{dm}=-5\mu \text{A}$$

白话：L 线电流 = 共模的一半 + 差模；N 线电流 = 共模的一半 − 差模（差模在两线方向相反）。

联立求解：

$$I_{cm}=-3\mu \text{A},I_{dm}=3.5\mu \text{A}$$

结论：地线里有 3 µA 电流从右向左流（共模分量）；3.5 µA 差模电流在 L 中从右向左、在 N 中从左向右。

变式：若 N 线测得 0 µA（L 线仍 2 µA），则 $I_{cm}=2\mu \text{A}$，$I_{dm}=1\mu \text{A}$。

核心结论：任何”非对称”的实测电流，都可以分解为一部分共模 + 一部分差模。 所以非对称 ≠ 共模，两线电流不相等不代表纯共模。

LISN：让全世界的测量可重复

测传导 EMI 要用 ISN（阻抗稳定网络）；测市电输入时它叫 LISN（线路阻抗稳定网络），也叫 AMN（人工电源网络），其规格详见 CISPR 16。LISN 的四大功能：

1. 给被测电源提供干净的交流供电；
2. 向测量接收机/频谱仪提供测量数据；
3. 给电源发出的噪声提供一个稳定、平衡的阻抗；
4. 最重要：让测量在世界任何地方都可重复。

LISN 里 L、C 的取值逻辑（对噪声源而言，LISN 就是它们的负载）：

• 电感 L：对 50/60 Hz 工频呈”短路”（不阻碍供电电流），对 150 kHz–30 MHz 呈”开路”（把市电侧的噪声隔开）；
• 电容 C：对工频呈”开路”（不通过市电电压），对 150 kHz–30 MHz 呈”短路”（把噪声引到 50 Ω 电阻上）。

为什么是 50 Ω？ 两个原因：其一，典型同轴电缆对高频信号呈现 50 Ω 阻抗（传输线效应），接收机电缆本身就是 50 Ω；其二，50 Ω 恰好模拟了典型市电布线对高频信号的阻抗。测量 L 对地电压时，LISN 用继电器在 N-地之间接一个真实 50 Ω 电阻，使两线始终平衡。这样测量结果对实际电网阻抗”视而不见”——换个城市换个插座，读数都一样。

从噪声源角度做等效（图 9-3）：每个 50 Ω 电阻对差模电流是”两个串联”（100 Ω），对共模电流是”两个并联”（25 Ω）。拨动面板开关，分别测得：

$$V_L=25\times I_{cm}+50\times I_{dm}$$ $$V_N=25\times I_{cm}-50\times I_{dm}$$

白话：测到的电压是 CM 成分（每线 50 Ω 上的压降，即 25 Ω × 净共模电流）与 DM 成分（50 Ω × 差模电流）的代数和——CM 分量在 L、N 上的符号相同，DM 分量符号相反。L 和 N 两次扫描都必须各自满足限值。

常见坑： $V_L$、$V_N$ 扫描"长得不一样"不代表 CM/DM 成分不同

文献里流传一种说法：“噪声以 DM 为主则两条扫描几乎相同；以 CM 为主也几乎相同；差异大说明 CM、DM 都有”。对离线电源这不成立！带输入桥式整流的典型电源中，L、N 从工作电流到噪声频谱本质上是对称的——每个交流半周期，噪声分布就在两条线之间对调一次，而频谱仪是对多个交流周期取平均的，对称性会自动恢复。剩余差异往往来自测试电路两半的未知不对称，或电源入口附近线缆受到的严重辐射干扰。

想把 CM 和 DM 分开看？三招

标准只要求测 CM+DM 的合成值，但诊断排障时工程师常想分开看：

1. LISN MATE（Nave 发明，现已少见）：对 DM 衰减约 50 dB，CM 几乎直通（仅衰减约 4 dB）——看剩下的就是共模。
2. 变压器式分离器：利用”共模电压无法产生变压器感应”的原理（变压器动作需要差模电压驱动绕组电流、磁通才能摆动）；CM、DM 都有输出。
3. 专用 LISN：前两法都要求同时得到 $V_L$ 和 $V_N$（普通 LISN 同一时刻只给一个），改造传统 LISN 既麻烦又危险（高压）。商业上有专为 CM/DM 分离扫描设计的 LISN（如 Laplace Instruments 的 ESA2000）。

传导发射限值与 dBµV

滤波器到底要做到什么程度才算达标？看表 9-1。

表 9-1 传导发射限值

Class A（工业）

频率 (MHz)	FCC 准峰值 (dBµV / mV)	FCC 平均值	CISPR 22 准峰值 (dBµV / mV)	CISPR 22 平均值 (dBµV / mV)
0.15–0.45	NA	NA	79 / 9	66 / 2
0.45–0.5	60 / 1	NA	79 / 9	66 / 2
0.5–1.705	60 / 1	NA	73 / 4.5	60 / 1
1.705–30	69.5 / 3	NA	73 / 4.5	60 / 1

Class B（住宅）

频率 (MHz)	FCC 准峰值 (dBµV / mV)	FCC 平均值	CISPR 22 准峰值 (dBµV / mV)	CISPR 22 平均值 (dBµV / mV)
0.15–0.45	NA	NA	66–56.9* / 2–0.7*	56–46.9* / 0.63–0.22*
0.45–0.5	48 / 0.25	NA	56.9–56* / 0.7–0.63	46.9–46* / 0.22–0.2*
0.5–1.705	48 / 0.25	NA	56 / 0.63	46 / 0.2
1.705–30	48 / 0.25	NA	60 / 1	50 / 0.32

（* 表示在 dBµV–log(f) 图上是一条直线，见下方例题。FCC 只规定准峰值限值，没有平均值限值；但 FCC 接受按 CISPR 22 认证——只是两个标准不能”混搭”。）

dBµV 是什么？ 分贝的定义是 20 × log(电压比)，dBµV 就是以 1 µV 为参考的对数电压。功率的分贝则是 10 × log(比值)——别混。

$$(\text{dB}\mu \text{V})=20\times \log \left(\frac{(\text{mV})}{10^{-6}}\right)(\text{mV}\to \text{dB}\mu \text{V})$$ $$(\text{mV})=10^{(\text{dB}\mu \text{V})/20}\times 10^{-3}(\text{dB}\mu \text{V}\to \text{mV})$$

白话：mV 数除以 0.001 再取对数乘 20 就是 dBµV；反过来 dBµV 除以 20 做指数还原。60 dBµV 正好是 1 mV，差 20 dB 就是 10 倍电压。

CISPR 22 Class B 限值线方程（150–500 kHz）

150–500 kHz 区间在 dBµV–log(f) 图上是一条直线（斜率约 −20 dB/十倍频），平均值限值可写为：

$$(\text{dB}\mu {\text{V}}_{\text{AVG}})=-19.07\times \log (f_{\text{MHz}})+40.28(\text{精确})$$

更好记的近似式：

$$(\text{dB}\mu {\text{V}}_{\text{AVG}})=-20\times \log (f_{\text{MHz}})+40(\text{几乎精确})$$

准峰值限值在此区间比平均值恒高 10 dB：

$$(\text{dB}\mu {\text{V}}_{\text{QP}})=-20\times \log (f_{\text{MHz}})+50(\text{几乎精确})$$

白话：这条线是按”过 1 MHz 点（外推），斜率 20 dB/dec”画出来的——平均值过 40 dBµV、准峰值过 50 dBµV——然后把 500 kHz 和 150 kHz 两端算出的纵坐标四舍五入到整分贝，才是标准里公布的”精确”数值（所以精确式系数才那么怪）。

例题 2：300 kHz 处的 Class B 限值

题：求 CISPR 22 Class B 在 300 kHz 处的传导发射限值。

解：300 kHz = 0.3 MHz，代入平均值限值：

$$-19.07\times \log (0.3)+40.28=50.25\text{dB}\mu \text{V}$$

准峰值限值在此区间恒比平均值高 10 dB，即 60.25 dBµV。

FCC 比 CISPR 严吗？

看表 9-1，450 kHz 以上 FCC 的准峰值限值数字比 CISPR 低（48 vs 56 dBµV），是不是 FCC 更严？不是：

• FCC 在美国市电 115 VAC 下测试，CISPR 在约 230 VAC 下测试——测试条件不同，“苹果对橘子”；
• FCC 虽无平均值限值，但其条文允许：当准峰值读数超出平均值 6 dB 以上时，限值可放宽 13 dB。

实践结论：满足 CISPR 的设备总能满足 FCC。

峰值、准峰值、平均值检波

为什么限值要分准峰值和平均值两套？历史上，准峰值是用来模拟人对噪声的主观反应的：人对持续骚扰的恼怒程度是慢慢累积的。所以准峰值检波内置了充电/放电时间常数（attack/release rates），按频谱分量的重复频率加权——重复率越高，准峰值读数越高。

三种检波的关系（对同一脉冲信号，见图 9-7）：

• 峰值（Peak）：只抓包络最大值，永远读数最高，且扫描快；
• 准峰值（QP）：受有限充放电时间常数影响，读数 ≤ 峰值，且频谱仪必须扫得很慢；
• 平均值（AVG）：通常最低。

实战策略：设计初期先用峰值检波快速扫描，直接对照准峰值限值判读——如果能过，等于白赚了余量（真用 QP 测读数一定更低），这余量正好留给后期冒出来的各种寄生参数。只有当峰值读数”贴线或略超”时，才值得花时间跑慢吞吞的准峰值测试。

常见坑：过了准峰值不等于过平均值

一般情况下满足 QP 限值就自动满足 AVG 限值，但存在个别”漏网”情况：QP 过了、AVG 却挂了。这是坏兆头，往往意味着 PCB 布局或变压器需要大改。

一个”5 MHz 分界”的说法要活学活用

流传的说法：“5 MHz 以下噪声以差模为主，5 MHz 以上以共模为主”。20 MHz 以上的传导噪声确实多半来自线缆的辐射感应拾取（天然是共模），但别当铁律：线缆阻抗不平衡就能把高频共模变回高频差模，实际频谱随时可能给你惊喜。

最后回答一个常见疑问：为什么传导限值只测到 30 MHz？ 因为到 30 MHz 时传导噪声在市电布线上已遭受严重衰减，传不了多远、干扰不了别人；但线缆仍能（就近）辐射，所以辐射限值从 30 MHz 接到 1 GHz——两套限值正好无缝衔接。

通关标准：

• 能画图说清 DM（L-N 之间回路、不流经地）与 CM（经 L、N 同向流、从大地返回）的区别；
• 记住共模噪声的关键特性：高频成分多、源像电流源、1 m 线上 5 µA 就违反 FCC Class B 辐射限值；
• 会用 $I_L=I_{cm}/2+I_{dm}$、$I_N=I_{cm}/2-I_{dm}$ 两式分解实测电流；
• 说得出 LISN 的作用（干净供电 + 取样 + 稳定 50 Ω + 可重复）和”对 CM 呈 25 Ω、对 DM 呈 100 Ω”的负载阻抗；
• 记住 $V_L=25I_{cm}+50I_{dm}$、$V_N=25I_{cm}-50I_{dm}$；
• 会做 dBµV ↔ mV 换算（60 dBµV = 1 mV，20 dB = 10 倍），会算 150–500 kHz 直线限值（AVG ≈ −20log f + 40）；
• 分清峰值/准峰值/平均值检波：峰值最高最快、QP 模拟人耳恼怒度、AVG 通常最低，先用峰值对标 QP 限值白赚余量。

自测：为什么说共模噪声比差模噪声更"顽固"？

因为 DM 噪声源更像电压源，LC 滤波器的阻抗墙就能挡住；而 CM 噪声源像电流源——电流源必须维持电流流动，会抬升电压翻越阻抗墙，且它的回流路径可经过机壳，让机壳变成大天线。

自测：L 线测 2 µA、N 线测 0 µA，共模和差模各是多少？

列方程 $I_{cm}/2+I_{dm}=2$、$I_{cm}/2-I_{dm}=0$，解得 $I_{cm}=2\mu \text{A}$、$I_{dm}=1\mu \text{A}$。两线电流不相等时，测到的是 CM 与 DM 的混合。

自测：LISN 里 50 Ω 电阻对共模呈 25 Ω、对差模呈 100 Ω，为什么？

共模电流同向流过两个 50 Ω 电阻再汇入大地，等效为两电阻并联：50∥50 = 25 Ω；差模电流一进一出串联流过两个电阻，等效为串联：50+50 = 100 Ω。

自测：56 dBµV 等于多少 mV？

$10^{56/20}\times 10^{-3}=10^{2.8}\times 10^{-3}\approx 0.63$ mV。即 Class B 在 0.5–1.705 MHz 的准峰值限值 56 dBµV ≈ 0.63 mV。

自测：设计初期为什么用峰值检波对照准峰值限值？

峰值读数永远 ≥ 准峰值读数，且扫描快得多。若峰值读数都能压进 QP 限值，说明真实 QP 结果有额外余量，正好覆盖后期才暴露的寄生参数；只有贴线或超标时才需要跑慢速 QP 测试。