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RE理论分析之干扰源

时间:2019-10-06 来源:爱旅行的懒兔


前言

RE实验是EMC实验中非常容易出问题的一类实验,几乎每一款产品都会存在辐射超标的问题,而RE实验的整改也往往是非常耗费时间的,没有一个清晰的,系统性的整改思路,往往会使问题反反复复。下面介绍一些理论知识及分析方法。

电磁干扰问题包含三要素,即干扰源,干扰路径和敏感设备。在RE测试中,接收机就是敏感设备,接收测试样件内部产生的并且由空间(干扰路径)辐射出来的电磁波,再参考相应的产品标准来判断是否通过试验。分析辐射发射问题可以从三要素角度分析,去掉其中一个要素就可以解决辐射发射的问题。今天主要介绍干扰源。



1.辐射是如何产生的?

产生电磁辐射的两个必要条件是时变驱动源和天线。

由奥斯特实验可知,磁场是由电流产生的,通电导线周围会产生磁场,磁场正比于电流,反比于离开导体的距离且磁场方向与电流方向有关。所以需要注意的是辐射发射中的时变驱动源指的是时变电流源,电流可以产生磁场,而电压不能。

按照麦克斯韦的电磁场理论,变化的电场产生磁场,周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分离的统一的场,这就是电磁场;电磁场由近及远地传播,就形成电磁波。电磁波具有3个基本量:幅值、频率和相位。

电磁波的传播速度是光速,C=λf,C=3*108m/s,f为频率,单位Hz, λ指波长,单位是m。

 

在低频的电磁振荡中,电磁之间的相互作用比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有辐射出去;在高频的电磁振荡中,电磁互变很快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能和磁能随着电场和磁场的周期变化会以电磁波的形式向空间传播出去,这就是一种辐射。

根据天线理论,当天线的长度与波长相当,则更容易产生电磁波。例如:数米长的电源线,会产生30-300MHz的辐射,在30MHz以下频带,因波长较长,当电源线中流过同样的电流,也不会产生辐射太强的电磁波,故30MHz以下频带都是传导干扰。

总之,当设备的导线长度比波长短时,也就是驱动电流是低频电流时,主要问题是传导干扰,当设备的导线长度比波长长时,也就是驱动电流是高频时,主要问题的辐射问题。


2.辐射中的两种天线

2.1 环等效天线

在RE测试中,测试的实质就是测试产品中两种等效天线所产生的辐射信号,第一种等效天线是由信号环路等效的环天线,环路是产生辐射的等效天线,辐射产生的源头是环路中流动的电流信号,这种信号通常是正常工作信号,它是一种差模信号,如时钟信号。当环路中的信号是交变的,变化的电场产生磁场,那么信号所在的环路就会产生辐射,这种辐射也叫差模辐射,PCB上的很多电流环都可以构成这种辐射,也叫PCB的差模辐射。如果在环路面积为S的环路中流动着电流强度为I,频率为F的信号,那么在自由空间中,距离环路D处所产生的辐射强度为:

                                  E=1.3SIF2/D

上式中,E为电场强度,单位uV/m;S为环路面积,单位为cm2I为电流强度,单位为A;F为信号频率也叫电流频率,单位为MHz;D为距离,单位为m。产生的辐射大小与信号的频率,电流强度,环路面积以及距离环路的距离有关。

注意:这里的电流是指信号的工作电流,如果要求n次谐波的辐射,电流要用n次谐波的电流,n次谐波的电流为:In=0.45*I/n。

控制方法:

1.在不影响信号完整性的情况下,尽量采用小电流驱动;

2. 信号频率的影响较大,尽量调低;

3. 控制高频电流的环路面积,特别是DCDC部分,输出电流较大,可采用调频DCDC,讲频率倍频点,调节出测试范围,根据实际情况而定;

4. 优化地平面,控制信号回流路径,减小环路面积。

对于差模干扰,一般最常见的情况就是DCDC电路,设计时要注意控制频率,大电流环路。


2.2 案例分析一

举个例子:某产品,标准要求过class4标准,RE测试时,屏幕背光的DCDC辐射超标,开关频率为2.1MHz,可以看到,周期性的毛刺叠加在辐射较高的包络上,叠加后超过限值,展开波形可以发现,周期性的高频信号频率恰好是2.1MHz,实测结果如下图:

                                     整改前

 E=1.3SIF2/D可以看出,频率的影响最大,降低开关频率为400KHz后,叠加在包络上的周期性信号消失,超标点合格如下图:

                                  整改后


2.3 单极或偶极等效天线

第二类等效天线是单极天线或偶极子天线,是由产品中的线缆或其他尺寸较长的导体构成。驱动电流通常是共模电流,是系统的地与接地平面(大地)之间的电压降造成。此类由共模电流导致的辐射通常称为共模辐射,如下图:


在地平面上长度为L的天线,在距离为r的点测到的电场强度为:

当F≥30MHz,D≥1m并且L<λ/2时,

E=0.63fIL/D

当L≥λ/2时,

                                E=60*I/D

上式中,电场强度单位为μV/m;频率f的单位为Hz;电流I单位为A,表示电缆上的共模电流,长度L为电缆长度,单位为m, 距离D的单位为m。产生辐射的大小与频率,天线长度,共模电流大小有关。共模电流的大小是关键。

控制方法:

1.减小共模电流,减小地上的驱动电压,也就是减小输出接口处地平面的噪声,优化地平面的设计;

2.电缆线束屏蔽,并注意屏蔽层的接地;

3.对外的接口电路采用共模电感或电阻降低共模电流;

4.接口采用去耦电容,分流输出到线缆上的共模电流;

5.特殊线束的阻抗匹配,比如USB线束;

6.电路设计中尽量避免高频信号干扰到外部的电源线缆,设计PCB时高频与低频区域分开;

7.注意连接器的选型,屏蔽线与PCB板的接地良好;

8.合理分配连接器上的接地引脚,提供良好的信号回流路径,注意连接的引脚间的互感;

9.控制充当天线的线束,金属外壳的长度。

注意:信号电流大小,频率,测试距离都一致的情况下,共模辐射要远远大于差模辐射,差模电流需要比共模电流大1000倍以上才会产生相同的辐射,所以在产品设计初期需要充分考虑共模辐射的影响,重点要减小共模电流。

也就是减少信号地与真正的大地之间的电流,有交变的驱动电流没有完全回到信号源端的地,而是从线束泄露到大地上,就会造成严重的辐射现象。


2.4 案例分析二

举个例子:假设一产品的架构由两块PCB,PCB由连接器直接对接,其中主板PCB上接有一条通信线缆,PCB之间的连接器间距2mm,长度2cm,连接器中传输的信号最高频率25MHz,电平为2.5V,工作电流为25mA。高频电流流过连接器,在连接器上形成一个0.4的高频电流环,如图所示:

信号频率25MHz,5倍频为125MHz,该信号在125MHz处的谐波电流为I5

I5=0.45*25mA/5=2.25 mA

此环路在125MHz频率下,距离环路3m处产生的差模辐射电场场强为:

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

转化为分贝值,转化公式为:由dB=20lgV得,dBμV/m=20lgμV/m=20lg18.2=25.20143 dBμV/m。

在这个产品设计中,由环路导致的差模辐射为25.2 dBμV/m,其实除了差模辐射外,这个产品还有共模辐射产生,PCB1和PCB2之间高速的信号通信时,当PCB2上有高速信号25MHz流向PCB1时,GND1上产生一个高速的回流信号流向GND2,所以PCB1和PCB2之间存在一个电位差△U,如图所示:

△U=I*RL=I*2πFL,F是5倍频信号的频率125MHz,L是2cm长的连接器pin针的寄生电感,约为20nH(估算为10nH/cm), I为5次谐波电流I5=2.25mA, RL是电感的等效阻抗,在125MHz频率下,GND1和GND2之间产生的电压差:

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

△U通过线缆对参考地的等下电阻Zc和GND1对参考地的寄生电容C构成了共模电流的回路。在回路中,共模电流流过线缆,当线缆长度与信号波长可以相比拟时,就会产生辐射。

假设GND1的面积为10cm*8cm,GND1到参考地的距离一般为0.8m,寄生电容估算为3pF。

电路板或金属外壳与参考大地之间的寄生电容,可用如下公式估算:

Ctotal=Cplates+Cintrinsic

Cplates=ε0* S/d

Cintrinsic=4πε0*D

式中:

  • Ctotal为总寄生电容,单位为pF;

  • Cplates为平面电容,单位为pF;

  • Cintrinsic为固有电容,单位为pF;

  • ε0 为真空介电常数,8.85×10(-12方)单位F/m;

  • S为金属板或电路板的表面积,单位为m2

  • d为金属板或电路板到参考大地之间的间距,单位为m;

  • D为金属板或电路板的等效对角线,单位为m;


对于表面积为S,对角线长度为D的浮地设备,寄生电容可用下面式子近似计算:

Cintrinsic=35D

Cplates=9S/d

GND1对参考大地的寄生电容: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

线缆对地的阻抗约为150-250Ω之间,它是由电缆的寄生电感Lc和对地的寄生电容Cc决定,其中Lc=1μH/m,Cc=20-50pF/m之间,Zc==150-250Ω。

在125MHz下流过电缆的共模电流为流过GND2对地的寄生电容C的电流:

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

当电缆长度大于信号波长一半时,线缆在自由空间产生的辐射场强为:

E=60*I/D=60* Icm5/D=60*124.9/3=2498μV/m,换算成分贝值为67.95dBμV/m。

该产品设计中由124.9μA的共模电流在3米场测试中,经由线缆产生的共模辐射远远要大于产品中的共模辐射,在产品设计中,需要重点关注共模电流带来的影响,降低连接器阻抗和GND1对地的寄生电容是关键,增加连接器接地的pin数可以降低连接器之间的阻抗。给产品增加金属外壳可以减小GND1对地的寄生电容。


3 小结

产品中产生辐射的两种情况,一种是正常工作的差模信号构成环天线,造成PCB板级的辐射,注意控制信号的频率,电流大小及环路面积。第二种就是由地电位差造成的共模电流,当外接线缆长度与信号波长相近时会由线缆产生共模辐射,共模辐射相比于差模辐射往往更严重。

在设计过程中需要更加注意共模电流的大小,路径,尽量避免共模电流由线缆泄露,造成严重的辐射。 


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