【可靠性】電源噪聲導致輻射發(fā)射超標案例

硬件電子工程師

1 摘要
( ~$ h2 `6 S  u' e" c1 j在 emc 測試中經(jīng)常會遇到這樣的情況，一個獨立的設備能通過輻射發(fā)射測試，但是用電纜連接起來組成一個系統(tǒng)時，這個設備就不合格了，這就是電纜輻射的影響。本文以一個實際案例來介紹了接口電纜造成輻射的原因、計算方法和解決接口電纜輻射的一些方法。

9 e+ c" n8 b2 b/ }8 F' @: q2 故障現(xiàn)象描述
9 ?1 o* ?% I5 K2 d+ k某產(chǎn)品在進行整機輻射發(fā)射測試中，發(fā)現(xiàn)測試不通過。從輻射發(fā)射頻譜圖可以看出，44MHz、132MHz 和176MHz 頻點的輻射較高，176MHz 頻點的輻射已經(jīng)超標。
3 故障分析
3.1 差模輻射
. z1 m6 z# e- b/ J1 D# o! B) h根據(jù)電磁場輻射理論，可以推出兩根線上差模電流所產(chǎn)生的最大場強為：

式中，ID 是電纜中差模電流強度，單位A；AS 是兩根線纜形成的環(huán)路面積，單位m^2；f是差模號的頻率，單位Hz；d 是觀測點到輻射源的距離，單位m。
從上式可以看出，差模電流產(chǎn)生的輻射場強取決于：
（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；
5 D2 y! {, ?+ K（3）與到考察點的距離d 成反比；
（4）與差模電流ID 成正比。
2 o* j% C; h, m6 j5 O由公式（1）可以算出，30MHz 時1m 長扁帶線纜（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 類限值的輻射場強。
3.2 共模輻射
根據(jù)電磁理論，可以推算得兩根線上的共模電流所產(chǎn)生的最大場強為：

* z) \+ g/ a  x4 z% d式中，IC 電纜中共模電流強度，單位A；l 是線纜的長度位m；f 是共模號的頻率，單位Hz；d 是觀測點到輻射源的距離，單位m。
由此式可算出：在30MHz 時1m 長扁帶線纜（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 類界限值的輻射電場。前面計算同一情況差模電流需63mA，說明比差模電流小很多的共模電流可產(chǎn)生同一量級的輻射。
3.3 電纜輻射的評估
對于一根1m 長的電纜，為了滿足50MHz 時3m 距離處場強為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)生同樣的輻射場強，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。在進行輻射發(fā)射測試之前，可以通過測試流過電纜的共模電流，來預測設備是否能通過輻射發(fā)射測試。共模電流可以用電流探頭測得，測試連接如下圖所示，測試中電流探頭在電纜上慢慢移動以便測試到最大點。

. r  l0 \: q, C0 B3 y6 m圖1 線纜上共模電流的測量
. K2 v. q# \& `# ]3.4 案例
3.4.1 試驗現(xiàn)象
! c3 }# d' O& z, t, c; u/ [# O' A# T公司某產(chǎn)品在進行整機輻射發(fā)射測試中，發(fā)現(xiàn)通不過測試。從輻射發(fā)射頻譜圖可以看出，44MHz、132MHz 和176MHz 頻點的輻射較高，176MHz 頻點的輻射已經(jīng)超標，如下圖所示。

" p* E5 B1 B5 H& s8 v/ P) l) ]圖2 某產(chǎn)品未整改前的輻射發(fā)射
3.4.2 原因分析
7 d7 n1 A0 p6 p% z, s6 v! h1 t該產(chǎn)品采用屏蔽機箱設計，各種對外接口采取了濾波隔離措施，電源端口用濾波板進行了濾波處理，結構原理圖如圖3 所示。

$ U5 j5 [9 O3 A5 s* z9 B圖3 產(chǎn)品結構原理圖圖

2 _+ ~0 g3 T% r圖4 騷擾信號越過電源濾波板繼續(xù)傳輸
2 Z& S" L: N9 g) G. {7 g/ U如果電源濾波板要起到預期的作用，就一定要保證干擾信號或騷擾信號在電源濾波電路中傳輸。也就是在使用電源濾波板時，特別是在高頻情況下，一定要避免干擾信號或騷擾信號通過空間，越過電源濾波板繼續(xù)傳輸。從上圖3 可以看出，本產(chǎn)品實際上存在高頻的干擾信號和騷擾信號越過電源濾波板的可能性，騷擾信號越過電源濾波板進行傳輸，如圖4 所示。
& q# t6 W& R1 Q+ Z由圖4 可見，電源線進入產(chǎn)品的屏蔽體后，到達濾波板之前還有一段較長（約10cm）的距離，來自 PCB 或開關電源中的高頻信號通過空間傳輸會耦合到這段線上，使電源濾波板無法達到預期的效果。實際產(chǎn)品中，機框內(nèi)這段約10cm 長的電源線的正下方（距離約4cm左右）有一個PCB 子卡，子卡上有44MHz 的時鐘及其驅(qū)動電路。圖2 中44MHz、132MHz和176MHz 頻點的輻射正好是44MHz 時鐘的諧波，因此可以判斷圖2 中44MHz、132MHz和176MHz 頻點的輻射主要是由電源線產(chǎn)生的。
- R2 ^+ R* v9 Y由于設備內(nèi)部的工作電路充滿噪聲，機框內(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，而整機的電源線線纜就成了被驅(qū)動的輻射天線，如圖5 所示。共模輻射的兩個必要條件都具備了，就會對整機的輻射發(fā)射產(chǎn)生影響。

圖5 共模輻射形成示意圖
# o1 ^6 }! D3 `, [4 糾正措施及實施效果
8 H  |# p0 c% K4 Y$ L8 X& N4.1 處理措施
7 Z4 N0 w+ S& D# q* @5 R6 i# S要解決上面的問題，其實很簡單。既然機框內(nèi)的電源線是驅(qū)動源，機框較長的電源線是天線，那么只要將其中的一部分取消或?qū)�兩者的關聯(lián)斷開，就可以解決共模輻射的問題。一方面就是減少機框內(nèi)部電路的噪聲，另外一個方法就是減小驅(qū)動源的電壓，即減少機框內(nèi)部的電源線長度或減少機框內(nèi)部噪聲與電源線之間的耦合。
按照以上的分析將機框內(nèi)約10cm 長的電源線屏蔽起來，試驗中用銅箔包裹起來，再進行測試，結果如下圖所示，可見 44MHz、132MHz 和 176MHz 頻點的輻射明顯降低，證實了分析的正確性。
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6 L2 k. v6 F' S5 X圖6 機框內(nèi)約10cm 長的電源線用銅箔包裹起來后的輻射發(fā)射
% e" z, I3 f9 s: S6 P3 P7 @作為本問題最好的解決方法就是解決高頻時機框內(nèi)的高頻騷擾通過空間與電源輸入線的耦合問題，將電源濾波器安裝在屏蔽機框的電源入口處，就可以避免騷擾通過空間與電源輸入線的耦合。

圖7 電源濾波板的理想安裝位置圖

圖8 在產(chǎn)品機框的電容入口處增加穿心電容
/ g1 W7 ]# ^" o9 X8 o' L( t如果采用圖7 的濾波板安裝情況，由于產(chǎn)品的機框是屏蔽結構，電源濾波器的輸入都在屏蔽體之外，因此來自產(chǎn)品機框內(nèi)部的輻射騷擾信號不會耦合到電源濾波器輸入電源線上，機框內(nèi)的噪聲也就不會通過電源線引出機框產(chǎn)生輻射。但是由于本產(chǎn)品的結構問題，無法將電源濾波板安裝在電源的出口處。這種情況下，可以在屏蔽機框電源的入口處再加一級濾波器件進行隔離。本產(chǎn)品中在屏蔽機框電源的入口處增加穿心電容，如圖8 所。
在圖8 所示的濾波結構中，即使來自產(chǎn)品機框內(nèi)的輻射騷擾信號耦合到電源濾波板的內(nèi)部電路和機框內(nèi)電源濾波板的輸入電源線上，也會被機框電源入口處的穿心電容濾除，測試結果如下。
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圖9 在機框電源入口處加穿心電容后的輻射反射
5 典型教訓
8 G! t0 q9 Q8 t7 {% ?% ~0 A3 }通過上面案例的分析及解決方法，可以總結處下面的幾點啟示供實際產(chǎn)品設計參考。
3 A) v" L' l1 P# T（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。
（2）對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。
（3）電源供電線的濾波器應安裝在設備或屏蔽體的電源入口處。
（4）其他線路接口的處理與電源端口的處理相同。