说在开头：关于意识/灵魂（2）

尤金.维格纳是20世纪最重要的物理学家之一，对原子核模型的建立起到了关键作用；他和狄拉克、约尔当等人一起称为量子场论的奠基人。同时他也是冯.诺依曼的中学学弟，他们俩一个擅长数学一个擅长物理，很长时间他们是一对互补的黄金搭档。在人们还在为薛定谔的那只猫咪争论不休的时候，维格纳又出来捅了一个更大的马蜂窝，这就是所谓的“维格纳的朋友。”

“维格纳的朋友”是他想象的某个熟人，这位朋友戴着防毒面具也同样待在箱子里观察这只猫，维格纳本人则退到房间外面不去观测箱子里到底发生了什么；那现在对于维格纳来说，他对房间里的情况一无所知，那他是不是可以假定箱子里处于一个：（活猫/高兴的朋友）+（死猫/悲伤的朋友）的混合态呢？可当它事后询问那位朋友时，后者肯定否认了这一种叠加态，维格纳总结：当朋友的意识被包含在整个系统中的时候，叠加态就不适用了；即使他本人在门外，箱子里的波函数还是因为朋友的观测而坍缩，因此只有活猫或者死猫两种状态。

维格纳论证说，意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩是不足为奇的，因为外部世界的变化可引起我们意识的改变，根据牛顿第三运动定律，意识也应当能够反过来作用于外部世界。他把论文命名为《对于灵肉问题的评论》。可问题还没解决，究竟什么才是“意识”？这带来的问题比我们的波函数本身还要多的多。意识独立于物质吗？它服从物理定律吗？意识可以存在于低等动物上吗，可以存在机器中吗？如潮水般的难题向我们涌来，比波函数怎样坍缩的难题还要麻烦。意识反作用于物质世界，并不意味着证明了特异功能的存在。

那意识在本质上是什么东西呢？它是不是某种神秘的非物质世界的幽灵，完全脱离我们的身体和大脑而存在，只有当它“附体”在我们身上时，我们才会获得这种意识呢？当然物理学家们都不会认同这种说法，其中一种观点是：意识其实就是一种信息编码，是一种结构模式，虽然它完全基于物质基础而存在，但却需要更高一层次的规律去阐释它（例如，意识是5维的？我瞎猜的。）。那关于意识的问题就相当于：什么是信息？一个消息是一种信息，但它的载体本身（0,1）并非是信息，载体所蕴含的内容才是。

后来有人提出来说，如果“意识”使得万事万物从量子叠加态中脱离，成为真正的现实，那么我们不禁要问一个自然的问题：当智能生物尚未演化出来，这个宇宙中还没有“意识”的时候，它的状态是怎样的？难道要等到第一个“有意识”的智慧生物出现，宇宙才在一瞬间变成“现实”，而之前都只是波函数的叠加？但问题是，“智慧生物”本身也是宇宙的一部分哪，难道说“意识”的参与可以改变过去么？这个过去甚至包含了它自身的演化历史。

惠勒是哥本哈根时代的最后一位物理学大师，20世纪30年代他在玻尔的哥本哈根理论物理研究所里待过，而且跟玻尔一起用液滴模型解释了核裂变的原理；后来回到了美国参与了原子弹工程。他是费曼的老师（仅比费曼大7岁），还是基普.索恩的老师，基普.索恩搞出来的虫洞也有惠勒的贡献；埃弗莱特也是惠勒的学生，他在博士论文中提出了宇宙平行量子结构正无止境地分裂着，惠勒称这个想法为“多世界”。惠勒是个非常好的老师，而且跟比他大32岁的爱因斯坦的私交很不错；1976年惠勒从普林斯顿大学退休，他记得有一次爱因斯坦很沮丧的问他：如果人们都不去看月亮的话，那月亮还会不会在天上？爱因斯坦跟玻尔的争论萦绕在惠勒心头，盘亘不去，他开始思考量子论的最根本的问题了。

1979年在纪念爱因斯坦诞辰100周年讨论会上，约翰.惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想，即“延迟实验”。在之前章节中，我们提到了很多次双缝干涉实验，根据哥本哈根解释，当我们不去探究电子到底通过了那条缝隙，它就同时通过了双缝而产生了干涉条纹，反之就只通过一条缝隙，而没有干涉条纹。然而惠勒通过一个戏剧化的思维实验指出，我们可以“延迟”电子的这一决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条还是两条。（参考自：曹天元-上帝掷骰子吗）

一，传导发射（CE）和传导抗扰（CS）

开关电源电路设计完成了，我们还将碰到几个棘手的问题：散热、安规以及电磁干扰。其中电磁干扰问题就显得比较神秘了，电磁波这种东西，看不见摸不着，谁也不知道它会从哪里钻出来，对于我们来说可能比当年赫兹面对电磁波时的心情更忐忑。当然我们也不必过于担心，前人已经为我们摸索了很多年，并整理出一套对付电磁兼容性问题的手段和办法。

对于设备电源来说主要是关注其沿着交流电源线传输的传导发射，因为产品与安装地点的公用电网连接，而各管理机构已经强制性规定了传导发射的限制（FCC，CE，CCC等，后续在《电磁兼容性基础》专题中详细分析）。公用电网是一个庞大网络，通过交流电源线连接不同的功率输出设备，并形成一个巨大的“天线”系统，能使传导干扰电流十分有效地“辐射”出去，对其它电子设备造成干扰。一般来说，传导发射（CE）比辐射发射（RE）更容易解决，因为传导发射只有一条传输途径——电源线。另外产品还必须对存在电网中的干扰（CS）不敏感（滤除电源中的噪声干扰），以保证电子产品可靠运行。举个栗子，雷击或电网系统的电路故障导致电源线上的干扰或瞬间跌落，要保证设备数据或功能不丢失，这代表了传导敏感度的问题。

——传导发射（CE）和辐射发射（RE）在噪声频段上是有差别的，CE频段在：150KHz~30MHz；而RE频段在：30MHz以上。因为在高频段（>30MHz）的传导噪声在电源线上有很明显的衰减，所以不可能传输的很远，也就不会引起整个电网的干扰；然而对于辐射来说，由于30MHz以下低频段的噪声能量大部分通过导体传输，所以RE测试频段是在30MHz以上。

1，传导发射测量

1.1线性阻抗稳定网络（LISN）

在进行传导发射测试时，需要在电网插座和被测试设备的交流电源线之间插入：线性阻抗稳定网络（LISN）。那这个又是啥玩意，能起到什么作用呢？如下图所示为LISN的组网。

传导发射测试的目的是：测量存在于产品电源线上的干扰电流；当然，我们可以简单的用电流探头来测量，但是不同建筑物、插座从交流电源系统的插座看进去的阻抗不同，对于标准测试来说，很难保证测试数据的一致性，所以必须保证从产品交流电源看进去的阻抗必须使连续的。使用LISN主要是在传导发射测量频段内（150KHz~30MHz），达到如下目标：

1. 在整个传导发射测量频率范围内，给产品电源线提供一个稳定的阻抗；

——在相线和安全地线，中线和安全地线之间提供一个稳定的阻抗：50Ω。

2. 隔离被测试设备以外的传导发射（从外部通过交流电源线进来的“干扰”信号），只测量到产品本身的传导发射。

——防止电网上的外部传导干扰影响测量。

LISN的电路结构如下图所示：

1. 公共电网上相线和安全地线之间，中线和安全地线之间的1uF电容器可以旁路电网上的外部干扰，防止该干扰电流流入测量仪器而干扰测量数据；

——1uF电容器在测试频段（150KHz~30MHz）内，是低阻抗：0.0053Ω~0.354Ω。

2. 50uH扼流圈的作用是阻碍传导干扰；

——50uH电感器在测试频段（150KHz~30MHz）内，提供了高阻抗：141.3Ω~9420Ω。

3. 后端的0.1uF电容器为隔直电容，防止接收机的输入端过载；

——1uF电容器在测试频段（150KHz~30MHz）内，是低阻抗：0. 053Ω~3.54Ω。

4. 在去掉50Ω电阻的情况下，1KΩ电阻为0.1uF电容器提供静电放电通路；

5. 当50Ω电阻与1KΩ电阻并联：

1, 1个50Ω电阻器是测量接收机（频谱分析仪）的输入阻抗；

2, 1个50Ω是虚拟负载。

——两个50Ω电阻用来保证相线和安全地线之间，以及中线和安全地线之间的阻抗一直为大约50Ω，这样达到了电源网络阻抗匹配的目的。

我们看到相线电压和中线电压都必须在整个规定传导发射限制的频率范围内测量并且都必须小于传导发射限值，相线电流Ip和中线电流In与测量电压之间的关系为：Vp = 50*Ip，n = 50*In。其中我们假设在测量频率范围内，LISN的电容器为短路（小阻抗），电感器为开路（大阻抗），因此测量电压直接与通过相线和中线存在于产品中的干扰电流相关。

我们可以看到LISN的电容器和电感器在整个传导发射测量频率范围内是短路和开路的，因此LISN的等效电路是相线和安全地线，中线和安全地线之间的50Ω电阻。而当电源频率时50Hz/60Hz时，电感器的阻抗为18.8mΩ，0.1uF电容器的阻抗为2.7KΩ，因此在电源正常工作频率，LISN实际上并不起作用，只给产品提供工作交流电源。

最后要确定的是，LISN的设计目的是阻止规定频率范围内的电流通过LISN的50Ω电阻流入，而在规定频率范围以外的发射是否符合传导限值是无关紧要的。我们需要注意的是，在规定频率范围内电源线上的任何电流都有可能导致传导干扰测试失败，所以需要特别关注在30MHz以内的时钟，大于150KHz频率的开关电源等等。

1.2差模和共模

我们在具体分析传导干扰之前，需明确一下差模和共模的概念。如果胖友们看过《特殊的串扰-差分信号》这章的内容，应该对差模和共模的概念不会陌生。那么在传导发射中差模和共模噪声的概念又是怎样的呢？

我们将传导发射基本分为两类：

1. 差模（DM）：对称模式或普通模式；

2. 共模（CM）：非对称模式或接地泄露模式。

如下图所示：L表示火线，N表示中性线，E表示安全地或地线；EUT表示受测试设备。差模噪声发生器接在L和N之间，差模电流Id流过这两条导线：电流在L和N线上一个进一个出。共模电流为Icm，在L和N每条线上流过Ic/2大小的电流，回流在E线上。

——这个定义与我们之前接触到的关于差模和共模的定义是一致的；但是我们发现正常交流电源输入电流，不也是一种差模电流么？显然我们这里并不包括正常的交流工作电流差模输入，因为它的工作频率很低：50Hz/60Hz，是在传导干扰的范围（150KHz~30MHz）之下。

——共模噪声源一端接地，另一端假设噪声源对L和N导线的阻抗相等，那么两根导线上 引入的噪声电流值相等；如果阻抗不等，那么就会引入差模噪声，得到混合模式的噪声电流。

结合LISN再来看共模和差模电流（频段在150KHz~30MHz范围），我们可以得到：

Ip = Ic + Id，In = Ic –Id；解得：Id = (1/2)*( Ip - In)，Ic = (1/2)*( Ip + In)；Vp = 50*(Ic + Id)，Vn = 50*(Ic – Id)。在传导发射中共模电流与差模电流的数量级一样或则超过差模电流。因此共模电流对传导发射有较大的影响。

如下图所示，差模电流从一个50Ω流入再从另一个50Ω流出，而共模电流是同时从两个50Ω流入。因此每相电流的作用是加到p中和从n中减去。当共模电流和差模电流值相同时，相线和中线上的电压不同（Vp = 50*(Ic + Id)，Vn = 50*(Ic –Id)），只有当某一分量占主要时，相线电压和中线电压幅度才近似相等。所以我们需要在电源接口端设计电源滤波器：既能降低差模电流又能降低共模电流；而把总电流分解成差模电流和共模电流的原因就是为了便于滤波器的实现。

2，电源滤波器

实际上如果不在产品电源接口处插入某种形式的电源滤波器，那么绝大多数电子产品都不能符合传导发射要求。特别是对于AC-DC电源滤波器，安全成为首要的考虑：

1. 任何裸露的金属（导体）都可能使用户触电，所以为了避免触电的发生，裸露金属必须接地或与电源高压部分隔离；

2. 设备不能有任何单点故障而导致用户裸露在触电的危险中，应该有两级保护，若有一级失控，那么另一级还可用；保护措施如下：

1, 裸露金属表面接地；

2, 裸露金属与电路高压部分之间的物理间隔≥4mm；

3, 裸露金属与高压部分之间放置一层验证过的绝缘体（最小耐压为交流1500V或直流2121V）。

3. 如果不能将接地认作一个可接受的有效安全等级，或则设备采用双线交流供电，那么除了基本绝缘层外，还要将裸露金属与高压部分增加一级保护，两层绝缘一起构成双重绝缘；

4. 外壳接地并不一定能保证安全，但是金属外壳接地的主要原因是：防止设备向外辐射；若无金属外壳，典型的离线式开关电源无法符合辐射发射（RE）限制；（关于屏蔽，后续《电磁兼容性基础》再详细分析）；

5. 为了有减少共模电流，经常将电容器连接在电源各部分与接地外壳之间，这个电容器称之为：Y电容；类似的，为了减少差模电流，经常将高压电容器放置在输入交流电源的L和N导线之间，这些线间电容器称之为X电容；

6. 提供良好的金属外壳并进行恰当的接地，那么防治辐射（RE）的同时还为共模噪声提供了自由通路，使其顺利流入建筑配电网，这可能会最终增加传导电磁干扰（CE），反之亦然；

7. 一般来说，如果设备未设计任何接地，那么通常也没有金属外壳，所以辐射无法屏蔽，但是这样不会产生显著的共模噪声（共模噪声必须有共同的回流GND），所以不需要共模滤波器，但是差模噪声依然存在。

2.1滤波器的基本特性

用来减小传导发射（CE）的电源滤波器与信号滤波器有很大的不同，但是他们有共通的基本原理；滤波器典型特性指标是：插入损耗（IL：Insertion Loss），用dB表示；如下图所示，为了抑制某些频率分量，在源和负载之间插入一个滤波器，那么未插入滤波器时负载电压用VL,WO表示，插入滤波器时负载用电压VL,W表示，可得滤波器的插入损耗定义为：

由于滤波器的插入，某频段的负载信号幅度会被衰减，所以插入损耗表现为频率的函数。关于低通、高通滤波器的传递函数，我们在之前章节已经做了详细分析，就不再举栗子了。

对于电源滤波器来说，针对特定频段的共模电流和差模电流是必须要减小的。常见的电源滤波拓扑结构如下图所示，滤波器的拓扑构成了一种π型结构，产品输出端的差模信号和共模信号电流用Id和Ic表示，而LISN输入端的电流用I’d和I’c表示，滤波器的目的是减小Id和Ic的电流相对于初级电流的电平：Vp = 50*(I’d + I’c)，Vn = 50*(I’c – I’d)；它们必须在规定频率范围内，被限制在传导发射限值。

如上图滤波器结构所示：

1. 在滤波器输出与LISN之间的安全地线上的LGW能阻隔共模电流；

2. 相线和中线之间的电容器CDL，CDR（线间电容：X电容）可以旁路差模电流，要求电容器具有安全机构验证的绝缘性能；

——下标L和R表示安装在滤波器的左侧和右侧。

3. 相线与安全地线之间以及中线与安全地线之间的电容器CCL，CCR（线地电容：Y电容）可以旁路共模电流；

——Y电容器要求失效模式是断路，因为假如Y电容短路了，相线/中线与地线断路，则会导致地线（设备机框）上带有120V电压，造成触电隐患；而且Y电容有最大容值限制，因为认证中有对电源最大漏电电流的限制，大的漏电电流可能导致触电危险。

4. 有耦合电感所表示的共模扼流圈：每个线圈的自感为L，互感用M表示；两个线圈绕在公共铁磁芯上，而且绕组相同，所以互感近似等于电感（M = L）（关于共模扼流圈的详细介绍，请参考《阻容感基础：电感器分类》）；

1, 理想情况下，共模扼流圈不影响差模电流，因为两个线圈产生的磁通量方向相反，即相互抵消，线圈电感 = L-M；

2, 对于共模电流，每个线圈中产生的磁通量方向相同，即相互叠加，线圈电感 = L+M，双倍阻碍共模电流流过。

——再次强调，我们要建立一个概念：所有的信号都可以人为区分为差模和共模信号，不存在既不是差模又不是共模的情况；只能站左边或右边，没有什么信号可以站中间的。

大家可能还有一个疑问，我们正常工作电流可能会比较大，例如10A，这个电流可能导致共模扼流圈饱和，从而降低了共模抑制能力？

其实这是不会的，因为理想的工作电流属于差模电流，对于单根输入/输出线来所，会产生非常大的磁通量，但是两根信号线叠加起来，如同上面所说的，磁通量会相互抵消，理想情况下没有任何磁通量，自然不会导致磁芯的饱和。当然绕组线圈导线的通流能力需要达到10A才行。

2.2滤波器对共模与差模电流分析

假如滤波器关于相线和中线对称，那么意味着相线-地线电路和中线-地线电路是相同的；我们可以建立一些等效电路来分析共模电流和差模电流的作用；实际设计中，一般相线和中线与地线之间的电容都是相同的，而且共模扼流圈两边的自感也相同。

如下图所示，将共模电流等效为电流源，由于结构的对称性，假设共模电流相等，可以看到：

1. 共模扼流圈的电感表现为L（55mH）+M = 2*L（110mH）;

2. 相线和中线的线间电容不起任何作用（对于共模电流来说，它们之间没有电流流动）；

3. 由于流过地线的电流加倍：2*Ic，所以地线电感LGW（1mH）也加倍，变成2*LGW（2mH），即地线电感对共模电流起到了加倍的作用。

——说明共模扼流圈（110mH）相对于地线电感（2mH）起到更大的阻抗作用。

4. 为了使地线电感器作用，左边必须有CCL≠ 0 ，形成LC滤波，可以计算传递函数：

计算介质频率f0 = 1/[2π*√(2*Lgw*Ccl)]；可以看到在高于截止频率后的曲线斜率为-40dB/dec倍频，地线上的电感对抑制共模电流具有显著的作用，假设Lgw = 1mH，CCL = 3300pF，可得截止频率f0= 62KHz，低于传导发射的最低频率：150KHz。

5. 假如没有地线电感，即Lgw = 0mH，则可得

计算截止频率f0 = 1/(2π*50*Ccl)；在高于该频率后曲线斜率为-20dB/dec倍频，当CCL = 3300pF，可得截止频率f0 = 965KHz。

——因此，当地线电感不存在时（Lgw = 0mH），左边线地电容CCL在高于1MHz时才起作用，且作用不大；如果LISN一侧的线地电容（CCL）不存在，则地线电感将不起作用。

如下图所示为针对差模电流的滤波器等效电路图：

1. 线间电容对差分电流而言是原来的2倍，线地电容有有变化，但整体来说线间电容远大于线地电容；

2. 对于理想共模扼流圈，L = M，所以对于差模电流是完全透明的；

3. 差模电流的滤波完全依靠线间等效电容。

所以对于理想电源滤波器来说，如果线间电容是理想的，那么几乎没有差模电流可以到达LISN；而如果共模扼流圈感抗，线对地电容和地线电感足够大，那么几乎没有共模电流可以到达LISN。但实际上，即使使用仔细设计后的滤波器，其产品仍然有可能不满足要求，而需要对滤波器电路进行调整。