【可靠性】電源噪聲導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)案例

硬件電子工程師

1 摘要
/ n9 T9 h; A, H- V在 emc 測(cè)試中經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況，一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備能通過(guò)輻射發(fā)射測(cè)試，但是用電纜連接起來(lái)組成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，這個(gè)設(shè)備就不合格了，這就是電纜輻射的影響。本文以一個(gè)實(shí)際案例來(lái)介紹了接口電纜造成輻射的原因、計(jì)算方法和解決接口電纜輻射的一些方法。
9 ]- ^6 z( G9 q3 R- d! f' B
8 P" P' U$ Q  z$ g* [" Y2 故障現(xiàn)象描述
8 h( E/ A+ J+ W$ ~; i( ]' S某產(chǎn)品在進(jìn)行整機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)測(cè)試不通過(guò)。從輻射發(fā)射頻譜圖可以看出，44MHz、132MHz 和176MHz 頻點(diǎn)的輻射較高，176MHz 頻點(diǎn)的輻射已經(jīng)超標(biāo)。
3 故障分析
3.1 差模輻射
/ R" S# ]! a; H9 I6 p: E  A根據(jù)電磁場(chǎng)輻射理論，可以推出兩根線上差模電流所產(chǎn)生的最大場(chǎng)強(qiáng)為：
+ T' B- \7 b* P# S+ r
式中，ID 是電纜中差模電流強(qiáng)度，單位A；AS 是兩根線纜形成的環(huán)路面積，單位m^2；f是差模號(hào)的頻率，單位Hz；d 是觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離，單位m。
從上式可以看出，差模電流產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)取決于：
（1）環(huán)路的面積，成正比；
（2）差模電流頻率的平方f 2，成正比；
（3）與到考察點(diǎn)的距離d 成反比；
" C. o1 `4 B' p6 u+ A（4）與差模電流ID 成正比。
由公式（1）可以算出，30MHz 時(shí)1m 長(zhǎng)扁帶線纜（線間距1.27mm）需要63.1mA 的差模電流正好產(chǎn)生等于3m 處50dBμV/m 的CLASS A 類(lèi)限值的輻射場(chǎng)強(qiáng)。
3.2 共模輻射
( E8 W: p; T4 d: ^根據(jù)電磁理論，可以推算得兩根線上的共模電流所產(chǎn)生的最大場(chǎng)強(qiáng)為：
/ q; F9 j+ A8 V# I! @) A& }& q4 k: K
) D1 z! R6 P% O* n1 v+ U! U式中，IC 電纜中共模電流強(qiáng)度，單位A；l 是線纜的長(zhǎng)度位m；f 是共模號(hào)的頻率，單位Hz；d 是觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離，單位m。
由此式可算出：在30MHz 時(shí)1m 長(zhǎng)扁帶線纜（線間距1.27mm）只需要25uA 的共模電流就可產(chǎn)生FCC 在3m 處的A 類(lèi)界限值的輻射電場(chǎng)。前面計(jì)算同一情況差模電流需63mA，說(shuō)明比差模電流小很多的共模電流可產(chǎn)生同一量級(jí)的輻射。
3.3 電纜輻射的評(píng)估
對(duì)于一根1m 長(zhǎng)的電纜，為了滿(mǎn)足50MHz 時(shí)3m 距離處場(chǎng)強(qiáng)為50dBμ/m（class A 的要求），線纜上的共模電流必須小于25μA。如果要產(chǎn)生同樣的輻射場(chǎng)強(qiáng)，所需要的差模電流是共模電纜的上千倍，因此電纜的輻射主要是共模電流引起的。在進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試之前，可以通過(guò)測(cè)試流過(guò)電纜的共模電流，來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備是否能通過(guò)輻射發(fā)射測(cè)試。共模電流可以用電流探頭測(cè)得，測(cè)試連接如下圖所示，測(cè)試中電流探頭在電纜上慢慢移動(dòng)以便測(cè)試到最大點(diǎn)。

圖1 線纜上共模電流的測(cè)量
; j' G" n# L# ~7 o3.4 案例
. L9 Q4 V5 i, o8 `; l3.4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象
公司某產(chǎn)品在進(jìn)行整機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)通不過(guò)測(cè)試。從輻射發(fā)射頻譜圖可以看出，44MHz、132MHz 和176MHz 頻點(diǎn)的輻射較高，176MHz 頻點(diǎn)的輻射已經(jīng)超標(biāo)，如下圖所示。
0 G* Y  [, t/ |' Y# ]1 m; r6 ?+ ]$ T
圖2 某產(chǎn)品未整改前的輻射發(fā)射
3.4.2 原因分析
9 a; l8 j9 X4 [( _" n# P. x& R* v該產(chǎn)品采用屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)，各種對(duì)外接口采取了濾波隔離措施，電源端口用濾波板進(jìn)行了濾波處理，結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。

2 e# L& y" E3 n# f* F圖3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理圖圖

$ ~, _; ^* l3 _圖4 騷擾信號(hào)越過(guò)電源濾波板繼續(xù)傳輸
6 m/ i" G/ e9 Z3 @1 G如果電源濾波板要起到預(yù)期的作用，就一定要保證干擾信號(hào)或騷擾信號(hào)在電源濾波電路中傳輸。也就是在使用電源濾波板時(shí)，特別是在高頻情況下，一定要避免干擾信號(hào)或騷擾信號(hào)通過(guò)空間，越過(guò)電源濾波板繼續(xù)傳輸。從上圖3 可以看出，本產(chǎn)品實(shí)際上存在高頻的干擾信號(hào)和騷擾信號(hào)越過(guò)電源濾波板的可能性，騷擾信號(hào)越過(guò)電源濾波板進(jìn)行傳輸，如圖4 所示。
3 A) Q- m$ N0 a8 v5 H- x由圖4 可見(jiàn)，電源線進(jìn)入產(chǎn)品的屏蔽體后，到達(dá)濾波板之前還有一段較長(zhǎng)（約10cm）的距離，來(lái)自 PCB 或開(kāi)關(guān)電源中的高頻信號(hào)通過(guò)空間傳輸會(huì)耦合到這段線上，使電源濾波板無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。實(shí)際產(chǎn)品中，機(jī)框內(nèi)這段約10cm 長(zhǎng)的電源線的正下方（距離約4cm左右）有一個(gè)PCB 子卡，子卡上有44MHz 的時(shí)鐘及其驅(qū)動(dòng)電路。圖2 中44MHz、132MHz和176MHz 頻點(diǎn)的輻射正好是44MHz 時(shí)鐘的諧波，因此可以判斷圖2 中44MHz、132MHz和176MHz 頻點(diǎn)的輻射主要是由電源線產(chǎn)生的。
由于設(shè)備內(nèi)部的工作電路充滿(mǎn)噪聲，機(jī)框內(nèi)的電源線和內(nèi)部電路的噪聲源之間存在容性耦合或感性耦合，它拾取了噪聲后兩端存在共模電壓UAB，而整機(jī)的電源線線纜就成了被驅(qū)動(dòng)的輻射天線，如圖5 所示。共模輻射的兩個(gè)必要條件都具備了，就會(huì)對(duì)整機(jī)的輻射發(fā)射產(chǎn)生影響。

圖5 共模輻射形成示意圖
4 糾正措施及實(shí)施效果
1 L9 c* c1 o& P8 `" Q+ D4.1 處理措施
要解決上面的問(wèn)題，其實(shí)很簡(jiǎn)單。既然機(jī)框內(nèi)的電源線是驅(qū)動(dòng)源，機(jī)框較長(zhǎng)的電源線是天線，那么只要將其中的一部分取消或?qū)�兩者的關(guān)聯(lián)斷開(kāi)，就可以解決共模輻射的問(wèn)題。一方面就是減少機(jī)框內(nèi)部電路的噪聲，另外一個(gè)方法就是減小驅(qū)動(dòng)源的電壓，即減少機(jī)框內(nèi)部的電源線長(zhǎng)度或減少機(jī)框內(nèi)部噪聲與電源線之間的耦合。
2 G! Y0 X8 V$ i$ y& z& x$ r按照以上的分析將機(jī)框內(nèi)約10cm 長(zhǎng)的電源線屏蔽起來(lái)，試驗(yàn)中用銅箔包裹起來(lái)，再進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下圖所示，可見(jiàn) 44MHz、132MHz 和 176MHz 頻點(diǎn)的輻射明顯降低，證實(shí)了分析的正確性。

0 b) V9 n% T9 P2 C* O8 _圖6 機(jī)框內(nèi)約10cm 長(zhǎng)的電源線用銅箔包裹起來(lái)后的輻射發(fā)射
. h' a' ?- {: e: x  W作為本問(wèn)題最好的解決方法就是解決高頻時(shí)機(jī)框內(nèi)的高頻騷擾通過(guò)空間與電源輸入線的耦合問(wèn)題，將電源濾波器安裝在屏蔽機(jī)框的電源入口處，就可以避免騷擾通過(guò)空間與電源輸入線的耦合。
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圖7 電源濾波板的理想安裝位置圖
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  X' l' z, V+ L8 w圖8 在產(chǎn)品機(jī)框的電容入口處增加穿心電容
0 N, C& |: |" s0 I如果采用圖7 的濾波板安裝情況，由于產(chǎn)品的機(jī)框是屏蔽結(jié)構(gòu)，電源濾波器的輸入都在屏蔽體之外，因此來(lái)自產(chǎn)品機(jī)框內(nèi)部的輻射騷擾信號(hào)不會(huì)耦合到電源濾波器輸入電源線上，機(jī)框內(nèi)的噪聲也就不會(huì)通過(guò)電源線引出機(jī)框產(chǎn)生輻射。但是由于本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，無(wú)法將電源濾波板安裝在電源的出口處。這種情況下，可以在屏蔽機(jī)框電源的入口處再加一級(jí)濾波器件進(jìn)行隔離。本產(chǎn)品中在屏蔽機(jī)框電源的入口處增加穿心電容，如圖8 所。
在圖8 所示的濾波結(jié)構(gòu)中，即使來(lái)自產(chǎn)品機(jī)框內(nèi)的輻射騷擾信號(hào)耦合到電源濾波板的內(nèi)部電路和機(jī)框內(nèi)電源濾波板的輸入電源線上，也會(huì)被機(jī)框電源入口處的穿心電容濾除，測(cè)試結(jié)果如下。

圖9 在機(jī)框電源入口處加穿心電容后的輻射反射
5 典型教訓(xùn)
通過(guò)上面案例的分析及解決方法，可以總結(jié)處下面的幾點(diǎn)啟示供實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考。
（1）選擇性能合適的電源濾波器固然重要，但是做好電源濾波器兩端的布線更為重要。
* O  L) Y& _% R9 K（2）對(duì)于電源濾波器的安裝，一定要注意電源濾波器輸入/輸出的隔離。
+ s* P4 \- B0 z/ `（3）電源供電線的濾波器應(yīng)安裝在設(shè)備或屏蔽體的電源入口處。
9 P$ d; V& P" o$ B, j（4）其他線路接口的處理與電源端口的處理相同。