RE理論分析之干擾源

轉(zhuǎn)自公眾號(hào)：電磁兼容EMC

前言

RE實(shí)驗(yàn)是EMC實(shí)驗(yàn)中非常容易出問題的一類實(shí)驗(yàn)，幾乎每一款產(chǎn)品都會(huì)存在輻射超標(biāo)的問題，而RE實(shí)驗(yàn)的整改也往往是非常耗費(fèi)時(shí)間的，沒有一個(gè)清晰的，系統(tǒng)性的整改思路，往往會(huì)使問題反反復(fù)復(fù)。下面介紹一些理論知識(shí)及分析方法。

電磁干擾問題包含三要素，即干擾源，干擾路徑和敏感設(shè)備。在RE測(cè)試中，接收機(jī)就是敏感設(shè)備，接收測(cè)試樣件內(nèi)部產(chǎn)生的并且由空間（干擾路徑）輻射出來的電磁波，再參考相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否通過試驗(yàn)。分析輻射發(fā)射問題可以從三要素角度分析，去掉其中一個(gè)要素就可以解決輻射發(fā)射的問題。今天主要介紹干擾源。

1．輻射是如何產(chǎn)生的？

產(chǎn)生電磁輻射的兩個(gè)必要條件是時(shí)變驅(qū)動(dòng)源和天線。

由奧斯特實(shí)驗(yàn)可知，磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，通電導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)正比于電流，反比于離開導(dǎo)體的距離且磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān)。所以需要注意的是輻射發(fā)射中的時(shí)變驅(qū)動(dòng)源指的是時(shí)變電流源，電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而電壓不能。

按照麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論,變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，周期性變化的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的,形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)；電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地傳播，就形成電磁波。電磁波具有3個(gè)基本量：幅值、頻率和相位。

電磁波的傳播速度是光速，C=λf，C=3*10⁸m/s，f為頻率，單位Hz, λ指波長(zhǎng)，單位是m。

在低頻的電磁振蕩中，電磁之間的相互作用比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有輻射出去；在高頻的電磁振蕩中，電磁互變很快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能和磁能隨著電場(chǎng)和磁場(chǎng)的周期變化會(huì)以電磁波的形式向空間傳播出去，這就是一種輻射。

根據(jù)天線理論，當(dāng)天線的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相當(dāng)，則更容易產(chǎn)生電磁波。例如：數(shù)米長(zhǎng)的電源線，會(huì)產(chǎn)生30-300MHz的輻射，在30MHz以下頻帶，因波長(zhǎng)較長(zhǎng)，當(dāng)電源線中流過同樣的電流，也不會(huì)產(chǎn)生輻射太強(qiáng)的電磁波，故30MHz以下頻帶都是傳導(dǎo)干擾。

總之，當(dāng)設(shè)備的導(dǎo)線長(zhǎng)度比波長(zhǎng)短時(shí)，也就是驅(qū)動(dòng)電流是低頻電流時(shí)，主要問題是傳導(dǎo)干擾，當(dāng)設(shè)備的導(dǎo)線長(zhǎng)度比波長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)，也就是驅(qū)動(dòng)電流是高頻時(shí)，主要問題的輻射問題。

2.輻射中的兩種天線

2.1 環(huán)等效天線

在RE測(cè)試中，測(cè)試的實(shí)質(zhì)就是測(cè)試產(chǎn)品中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號(hào)，第一種等效天線是由信號(hào)環(huán)路等效的環(huán)天線，環(huán)路是產(chǎn)生輻射的等效天線，輻射產(chǎn)生的源頭是環(huán)路中流動(dòng)的電流信號(hào)，這種信號(hào)通常是正常工作信號(hào)，它是一種差模信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)環(huán)路中的信號(hào)是交變的，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么信號(hào)所在的環(huán)路就會(huì)產(chǎn)生輻射，這種輻射也叫差模輻射，PCB上的很多電流環(huán)都可以構(gòu)成這種輻射，也叫PCB的差模輻射。如果在環(huán)路面積為S的環(huán)路中流動(dòng)著電流強(qiáng)度為I，頻率為F的信號(hào)，那么在自由空間中，距離環(huán)路D處所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度為：

                                  E=1.3SIF²/D

上式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位uV/m；S為環(huán)路面積，單位為cm²；I為電流強(qiáng)度，單位為A；F為信號(hào)頻率也叫電流頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m。產(chǎn)生的輻射大小與信號(hào)的頻率，電流強(qiáng)度，環(huán)路面積以及距離環(huán)路的距離有關(guān)。

注意：這里的電流是指信號(hào)的工作電流，如果要求n次諧波的輻射，電流要用n次諧波的電流，n次諧波的電流為：In=0.45*I/n。

控制方法：

1.在不影響信號(hào)完整性的情況下，盡量采用小電流驅(qū)動(dòng)；

2. 信號(hào)頻率的影響較大，盡量調(diào)低；

3. 控制高頻電流的環(huán)路面積，特別是DCDC部分，輸出電流較大，可采用調(diào)頻DCDC，講頻率倍頻點(diǎn)，調(diào)節(jié)出測(cè)試范圍，根據(jù)實(shí)際情況而定；

4. 優(yōu)化地平面，控制信號(hào)回流路徑，減小環(huán)路面積。

對(duì)于差模干擾，一般最常見的情況就是DCDC電路，設(shè)計(jì)時(shí)要注意控制頻率，大電流環(huán)路。

2.2 案例分析一

舉個(gè)例子：某產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)要求過class4標(biāo)準(zhǔn)，RE測(cè)試時(shí)，屏幕背光的DCDC輻射超標(biāo)，開關(guān)頻率為2.1MHz，可以看到，周期性的毛刺疊加在輻射較高的包絡(luò)上，疊加后超過限值，展開波形可以發(fā)現(xiàn)，周期性的高頻信號(hào)頻率恰好是2.1MHz，實(shí)測(cè)結(jié)果如下圖：

整改前

由 E=1.3SIF²/D可以看出，頻率的影響最大，降低開關(guān)頻率為400KHz后，疊加在包絡(luò)上的周期性信號(hào)消失，超標(biāo)點(diǎn)合格如下圖：

整改后

2.3 單極或偶極等效天線

第二類等效天線是單極天線或偶極子天線，是由產(chǎn)品中的線纜或其他尺寸較長(zhǎng)的導(dǎo)體構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電流通常是共模電流，是系統(tǒng)的地與接地平面（大地）之間的電壓降造成。此類由共模電流導(dǎo)致的輻射通常稱為共模輻射，如下圖：

在地平面上長(zhǎng)度為L(zhǎng)的天線，在距離為r的點(diǎn)測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

當(dāng)F≥30MHz，D≥1m并且L＜λ/2時(shí)，

E=0.63fIL/D

當(dāng)L≥λ/2時(shí)，

                                E=60*I/D

上式中，電場(chǎng)強(qiáng)度單位為μV/m；頻率f的單位為Hz；電流I單位為A，表示電纜上的共模電流，長(zhǎng)度L為電纜長(zhǎng)度，單位為m, 距離D的單位為m。產(chǎn)生輻射的大小與頻率，天線長(zhǎng)度，共模電流大小有關(guān)。共模電流的大小是關(guān)鍵。

控制方法：

1.減小共模電流，減小地上的驅(qū)動(dòng)電壓，也就是減小輸出接口處地平面的噪聲，優(yōu)化地平面的設(shè)計(jì)；

2.電纜線束屏蔽，并注意屏蔽層的接地；

3.對(duì)外的接口電路采用共模電感或電阻降低共模電流；

4.接口采用去耦電容，分流輸出到線纜上的共模電流；

5.特殊線束的阻抗匹配，比如USB線束；

6.電路設(shè)計(jì)中盡量避免高頻信號(hào)干擾到外部的電源線纜，設(shè)計(jì)PCB時(shí)高頻與低頻區(qū)域分開；

7.注意連接器的選型，屏蔽線與PCB板的接地良好；

8.合理分配連接器上的接地引腳，提供良好的信號(hào)回流路徑，注意連接的引腳間的互感；

9.控制充當(dāng)天線的線束，金屬外殼的長(zhǎng)度。

注意：信號(hào)電流大小，頻率，測(cè)試距離都一致的情況下，共模輻射要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模輻射，差模電流需要比共模電流大1000倍以上才會(huì)產(chǎn)生相同的輻射，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期需要充分考慮共模輻射的影響，重點(diǎn)要減小共模電流。

也就是減少信號(hào)地與真正的大地之間的電流，有交變的驅(qū)動(dòng)電流沒有完全回到信號(hào)源端的地，而是從線束泄露到大地上，就會(huì)造成嚴(yán)重的輻射現(xiàn)象。

2.4 案例分析二

舉個(gè)例子：假設(shè)一產(chǎn)品的架構(gòu)由兩塊PCB，PCB由連接器直接對(duì)接，其中主板PCB上接有一條通信線纜，PCB之間的連接器間距2mm，長(zhǎng)度2cm，連接器中傳輸?shù)男盘?hào)最高頻率25MHz，電平為2.5V，工作電流為25mA。高頻電流流過連接器，在連接器上形成一個(gè)0.4的高頻電流環(huán)，如圖所示：

信號(hào)頻率25MHz，5倍頻為125MHz，該信號(hào)在125MHz處的諧波電流為I5：

I5=0.45*25mA/5=2.25 mA

此環(huán)路在125MHz頻率下，距離環(huán)路3m處產(chǎn)生的差模輻射電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為：

E=1.3SIF²/D=1.3*0.4*0.00225*125*125/3=18.2μV/m

轉(zhuǎn)化為分貝值，轉(zhuǎn)化公式為：由dB=20lgV得，dBμV/m=20lgμV/m=20lg18.2=25.20143 dBμV/m。

在這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由環(huán)路導(dǎo)致的差模輻射為25.2 dBμV/m，其實(shí)除了差模輻射外，這個(gè)產(chǎn)品還有共模輻射產(chǎn)生，PCB1和PCB2之間高速的信號(hào)通信時(shí)，當(dāng)PCB2上有高速信號(hào)25MHz流向PCB1時(shí)，GND1上產(chǎn)生一個(gè)高速的回流信號(hào)流向GND2，所以PCB1和PCB2之間存在一個(gè)電位差△U，如圖所示:

△U=I*RL=I*2πFL，F(xiàn)是5倍頻信號(hào)的頻率125MHz，L是2cm長(zhǎng)的連接器pin針的寄生電感，約為20nH(估算為10nH/cm), I為5次諧波電流I5=2.25mA, RL是電感的等效阻抗，在125MHz頻率下，GND1和GND2之間產(chǎn)生的電壓差:

△U=2πFLI=2*3.14*125MHz*20nH*2.25mA=35mV

△U通過線纜對(duì)參考地的等下電阻Zc和GND1對(duì)參考地的寄生電容C構(gòu)成了共模電流的回路。在回路中，共模電流流過線纜，當(dāng)線纜長(zhǎng)度與信號(hào)波長(zhǎng)可以相比擬時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生輻射。

假設(shè)GND1的面積為10cm*8cm，GND1到參考地的距離一般為0.8m,寄生電容估算為3pF。

電路板或金屬外殼與參考大地之間的寄生電容，可用如下公式估算：

Ctotal=Cplates+Cintrinsic

Cplates=ε0* S/d

Cintrinsic=4πε0*D

式中：

• Ctotal為總寄生電容，單位為pF；

• Cplates為平面電容，單位為pF；

• Cintrinsic為固有電容，單位為pF；

• ε0 為真空介電常數(shù)，8.85×10（-12方）單位F/m；

• S為金屬板或電路板的表面積，單位為m²；

• d為金屬板或電路板到參考大地之間的間距，單位為m；

• D為金屬板或電路板的等效對(duì)角線，單位為m;

對(duì)于表面積為S，對(duì)角線長(zhǎng)度為D的浮地設(shè)備，寄生電容可用下面式子近似計(jì)算：

Cintrinsic=35D

Cplates=9S/d

GND1對(duì)參考大地的寄生電容：D=0.128,S=0.1*0.08=0.008，d=0.8m

Cintrinsic=35D=4.48pF

Cplates=9S/d=0.09pF

Ctotal=Cplates+Cintrinsic=4.57pF

線纜對(duì)地的阻抗約為150-250Ω之間，它是由電纜的寄生電感Lc和對(duì)地的寄生電容Cc決定，其中Lc=1μH/m,Cc=20-50pF/m之間，Zc==150-250Ω。

在125MHz下流過電纜的共模電流為流過GND2對(duì)地的寄生電容C的電流：

Icm5=2π*F5*C*△U5=2π*125*4.57*35mV=124.9μA

當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于信號(hào)波長(zhǎng)一半時(shí)，線纜在自由空間產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)為：

E=60*I/D=60* Icm5/D=60*124.9/3=2498μV/m，換算成分貝值為67.95dBμV/m。

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)中由124.9μA的共模電流在3米場(chǎng)測(cè)試中，經(jīng)由線纜產(chǎn)生的共模輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于產(chǎn)品中的共模輻射，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注共模電流帶來的影響，降低連接器阻抗和GND1對(duì)地的寄生電容是關(guān)鍵，增加連接器接地的pin數(shù)可以降低連接器之間的阻抗。給產(chǎn)品增加金屬外殼可以減小GND1對(duì)地的寄生電容。

3 小結(jié)

產(chǎn)品中產(chǎn)生輻射的兩種情況，一種是正常工作的差模信號(hào)構(gòu)成環(huán)天線，造成PCB板級(jí)的輻射，注意控制信號(hào)的頻率，電流大小及環(huán)路面積。第二種就是由地電位差造成的共模電流，當(dāng)外接線纜長(zhǎng)度與信號(hào)波長(zhǎng)相近時(shí)會(huì)由線纜產(chǎn)生共模輻射，共模輻射相比于差模輻射往往更嚴(yán)重。

在設(shè)計(jì)過程中需要更加注意共模電流的大小，路徑，盡量避免共模電流由線纜泄露，造成嚴(yán)重的輻射。