【可靠性】电源噪声导致辐射发射超标案例

硬件电子工程师

1 摘要
在 emc 测试中经常会遇到这样的情况，一个独立的设备能通过辐射发射测试，但是用电缆连接起来组成一个系统时，这个设备就不合格了，这就是电缆辐射的影响。本文以一个实际案例来介绍了接口电缆造成辐射的原因、计算方法和解决接口电缆辐射的一些方法。

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) j- t2 r, A: L0 J. Q- }2 故障现象描述
( }4 O) }% q& m0 Y0 K# l某产品在进行整机辐射发射测试中，发现测试不通过。从辐射发射频谱图可以看出，44MHz、132MHz 和176MHz 频点的辐射较高，176MHz 频点的辐射已经超标。
1 E- [$ e; S" C% v3 故障分析
3.1 差模辐射
根据电磁场辐射理论，可以推出两根线上差模电流所产生的最大场强为：
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式中，ID 是电缆中差模电流强度，单位A；AS 是两根线缆形成的环路面积，单位m^2；f是差模号的频率，单位Hz；d 是观测点到辐射源的距离，单位m。
从上式可以看出，差模电流产生的辐射场强取决于：
（1）环路的面积，成正比；
（2）差模电流频率的平方f 2，成正比；
9 g8 t5 o" N# |( i1 g# q（3）与到考察点的距离d 成反比；
3 G7 w$ [$ i# s+ N- k* e, @: x（4）与差模电流ID 成正比。
" q: U# }' L' ?+ u/ `9 N由公式（1）可以算出，30MHz 时1m 长扁带线缆（线间距1.27mm）需要63.1mA 的差模电流正好产生等于3m 处50dBμV/m 的CLASS A 类限值的辐射场强。
8 Z% Q1 Z6 q2 R+ I1 K2 |/ p3.2 共模辐射
根据电磁理论，可以推算得两根线上的共模电流所产生的最大场强为：

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式中，IC 电缆中共模电流强度，单位A；l 是线缆的长度位m；f 是共模号的频率，单位Hz；d 是观测点到辐射源的距离，单位m。
由此式可算出：在30MHz 时1m 长扁带线缆（线间距1.27mm）只需要25uA 的共模电流就可产生FCC 在3m 处的A 类界限值的辐射电场。前面计算同一情况差模电流需63mA，说明比差模电流小很多的共模电流可产生同一量级的辐射。
% A, U- {; \8 j! H1 c4 I- t3.3 电缆辐射的评估
5 ~! P! p8 A: J- o对于一根1m 长的电缆，为了满足50MHz 时3m 距离处场强为50dBμ/m（class A 的要求），线缆上的共模电流必须小于25μA。如果要产生同样的辐射场强，所需要的差模电流是共模电缆的上千倍，因此电缆的辐射主要是共模电流引起的。在进行辐射发射测试之前，可以通过测试流过电缆的共模电流，来预测设备是否能通过辐射发射测试。共模电流可以用电流探头测得，测试连接如下图所示，测试中电流探头在电缆上慢慢移动以便测试到最大点。
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" t# @! L- A' K" ]# V图1 线缆上共模电流的测量
/ w) a, {, T, U8 X3.4 案例
3.4.1 试验现象
8 P2 u* t: M. h' D/ [公司某产品在进行整机辐射发射测试中，发现通不过测试。从辐射发射频谱图可以看出，44MHz、132MHz 和176MHz 频点的辐射较高，176MHz 频点的辐射已经超标，如下图所示。
, D+ e. [# F- M5 a$ o

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图2 某产品未整改前的辐射发射
  f$ G) s: R4 m( K3.4.2 原因分析
) n, j. U" d4 ~该产品采用屏蔽机箱设计，各种对外接口采取了滤波隔离措施，电源端口用滤波板进行了滤波处理，结构原理图如图3 所示。

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图3 产品结构原理图图
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图4 骚扰信号越过电源滤波板继续传输
如果电源滤波板要起到预期的作用，就一定要保证干扰信号或骚扰信号在电源滤波电路中传输。也就是在使用电源滤波板时，特别是在高频情况下，一定要避免干扰信号或骚扰信号通过空间，越过电源滤波板继续传输。从上图3 可以看出，本产品实际上存在高频的干扰信号和骚扰信号越过电源滤波板的可能性，骚扰信号越过电源滤波板进行传输，如图4 所示。
由图4 可见，电源线进入产品的屏蔽体后，到达滤波板之前还有一段较长（约10cm）的距离，来自 PCB 或开关电源中的高频信号通过空间传输会耦合到这段线上，使电源滤波板无法达到预期的效果。实际产品中，机框内这段约10cm 长的电源线的正下方（距离约4cm左右）有一个PCB 子卡，子卡上有44MHz 的时钟及其驱动电路。图2 中44MHz、132MHz和176MHz 频点的辐射正好是44MHz 时钟的谐波，因此可以判断图2 中44MHz、132MHz和176MHz 频点的辐射主要是由电源线产生的。
& A6 b1 }. f& J5 R/ s. _  R$ ~/ m6 J- U由于设备内部的工作电路充满噪声，机框内的电源线和内部电路的噪声源之间存在容性耦合或感性耦合，它拾取了噪声后两端存在共模电压UAB，而整机的电源线线缆就成了被驱动的辐射天线，如图5 所示。共模辐射的两个必要条件都具备了，就会对整机的辐射发射产生影响。

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* j5 \2 i- }/ ~! h% x; i图5 共模辐射形成示意图
5 G# X; b1 S' y+ z# R+ A4 纠正措施及实施效果
- D$ l7 `5 H3 X! `! g* ^4.1 处理措施
要解决上面的问题，其实很简单。既然机框内的电源线是驱动源，机框较长的电源线是天线，那么只要将其中的一部分取消或将两者的关联断开，就可以解决共模辐射的问题。一方面就是减少机框内部电路的噪声，另外一个方法就是减小驱动源的电压，即减少机框内部的电源线长度或减少机框内部噪声与电源线之间的耦合。
% G$ F$ B# D/ z3 I: F* n1 `3 {/ y按照以上的分析将机框内约10cm 长的电源线屏蔽起来，试验中用铜箔包裹起来，再进行测试，结果如下图所示，可见 44MHz、132MHz 和 176MHz 频点的辐射明显降低，证实了分析的正确性。

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图6 机框内约10cm 长的电源线用铜箔包裹起来后的辐射发射
作为本问题最好的解决方法就是解决高频时机框内的高频骚扰通过空间与电源输入线的耦合问题，将电源滤波器安装在屏蔽机框的电源入口处，就可以避免骚扰通过空间与电源输入线的耦合。
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图7 电源滤波板的理想安装位置图
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& p# E8 S; G& n+ |  J' D" s: Z图8 在产品机框的电容入口处增加穿心电容
如果采用图7 的滤波板安装情况，由于产品的机框是屏蔽结构，电源滤波器的输入都在屏蔽体之外，因此来自产品机框内部的辐射骚扰信号不会耦合到电源滤波器输入电源线上，机框内的噪声也就不会通过电源线引出机框产生辐射。但是由于本产品的结构问题，无法将电源滤波板安装在电源的出口处。这种情况下，可以在屏蔽机框电源的入口处再加一级滤波器件进行隔离。本产品中在屏蔽机框电源的入口处增加穿心电容，如图8 所。
; b" M* R, b; h$ E8 @3 t/ Z在图8 所示的滤波结构中，即使来自产品机框内的辐射骚扰信号耦合到电源滤波板的内部电路和机框内电源滤波板的输入电源线上，也会被机框电源入口处的穿心电容滤除，测试结果如下。

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图9 在机框电源入口处加穿心电容后的辐射反射
1 u% b0 P1 w9 R3 n! v5 典型教训
通过上面案例的分析及解决方法，可以总结处下面的几点启示供实际产品设计参考。
（1）选择性能合适的电源滤波器固然重要，但是做好电源滤波器两端的布线更为重要。
# p, g  r" k6 Y" d( Q( P, D3 e（2）对于电源滤波器的安装，一定要注意电源滤波器输入/输出的隔离。
; Q. Q4 R. P/ c! R（3）电源供电线的滤波器应安装在设备或屏蔽体的电源入口处。
! b8 o( l1 E  |) F5 t6 }0 ^（4）其他线路接口的处理与电源端口的处理相同。