容性耦合導致產品輻射發射超標案例
問題描述
某產品在實驗室測試輻射發射時，在1MHz-5MHz頻段輻射發射裕量不足，在50MHz-100MHz頻段輻射發射超標15dB，如圖1所示，實驗不通過。
圖1 1MHz-100MHz輻射發射超標
故障診斷
整機為金屬屏蔽機箱，機箱上無開孔，上下殼體縫隙有導電橡膠條，確認機箱屏蔽良好。查看超標頻譜，根據頻率與波長關系，1MHz-5MHz和50MHz-100MHz頻段對應的波長只有線纜長度與其可比擬，因此懷疑線纜產生的問題。
系統共有AC220V電源線、RS422信號線、射頻信號線共三根I/O線纜，其中射頻信號線為屏蔽線，一端連接天線，一端與設備連接，屏蔽層與金屬連接器包括機箱都為360°端接，屏蔽良好。AC220V電源線和RS422信號線為普通線纜，因為AC220V電源加裝有電源濾波器，因此，開關頻率產生的1MHz-5MHz電磁干擾可以排除電源線問題。
經過以上分析，懷疑產品輻射發射超標與RS422信號線有關，拔除RS422信號線，測試頻譜如圖2所示。
圖2 拔掉RS422線纜30MHz-100MHz輻射發射
從圖2可以看出，拔掉R422線纜后50MHz-100MHz頻段電磁干擾消失，因此，確定引起50MHz-100MHz輻射發射的為RS422信號線。
問題分析
打開機箱，查看整機內部結構，如圖3所示。
圖3 產品內部結構和布線
從圖3可以看出，產品AC220V電源輸入、RS422信號線、電源模塊DC輸出三根線纜捆扎在一起平行布線，其中RS422內部跳線長度約300mm，初步懷疑信號跳線耦合AC輸入和DC輸出的干擾導致問題。
開關電源工作在高頻開關工作狀態，其在工作時會產生很強的電磁干擾，而開關電源的輸入輸出線纜，會成為電磁干擾的重要耦合途徑。RS422信號線和開關電源輸入輸出線困扎在一起，此時兩者之間會產生容性耦合，如圖4所示。
圖4 容性耦合串擾原理
從圖4可以看出，I/O接口RS422信號線會耦合電源輸入輸出線上的干擾，從而引起RS422信號線的輻射。將RS422跳線與AC輸入及DC輸出的跳線從空間上分開，如圖5所示。
圖5 RS422信號線與電源線分開
圖6 RS422信號線與電源線分開輻射發射
從圖6可以看出，此時雖然50MHz-100MHz干擾頻率下降，但同時新增50MHz和200MHz窄帶干擾，在圖中是有規律的頻點，判斷是時鐘信號的諧波。查看單板，主板上有25MHz晶振，調整后的RS422信號線正好布置在晶振之上，產生耦合所致，如圖7所示。
圖7 RS422信號線與25MHz晶振耦合原理
根據以上分析及驗證，RS422信號線跳線較長，極易耦合系統內部線纜、器件的噪聲從而導致輻射發射問題。
整改措施
將RS422信號跳線與AC220V輸入及DC輸出、電源模塊接口以及主板從空間上隔離，從屏蔽殼體的電源模塊上方引到I/O接口，如圖8、圖9所示。
圖8 隔離RS422信號線和電源示意圖
圖9 隔離RS422信號線和電源實物圖
整改效果
按以上方案整改后，分別測試10KHz-30MHz和30MHz-200MHz頻段輻射發射，如圖10所示。
圖10 隔離RS422信號線后輻射發射
從圖10可以看出，整改后1MHz-5MHz開關頻率諧波和50MHz-100MHz幅度降低15dB以上，實驗通過。
總 結
人人都說EMC是黑匣子，是玄學，因為很難確定干擾的機理是什么，很多問題都讓人莫名其妙，匪夷所思。典型的如線纜平行布線，咋一看兩根線纜之間相互絕緣，平行布線時相安無事，天下太平。但實際上，由于線-線間的電磁場耦合，可能會觸動電磁干擾的逆鱗，一招不慎，滿盤皆輸。本案例產品輻射發射超標，經過縝密的診斷和分析，為產品線-線間容性耦合所致，后通過將不同種類、不同性質的線纜分類布線成功化解。善哉，EMC是黑匣子乎？！沒掌握思路和方法，肯定是，反之，豈會是！
