EMI 的輻射發(fā)射

簡(jiǎn)介

這篇系列文章的第 4 部分針對(duì)電源轉(zhuǎn)換器（特別是工業(yè)和汽車領(lǐng)域使用的電源轉(zhuǎn)換器）在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的輻射排放闡述了一些觀點(diǎn)。

輻射電磁干擾 (EMI) 是一種在特定環(huán)境中動(dòng)態(tài)出現(xiàn)的問(wèn)題，與電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的寄生效應(yīng)、電路布局和元器件排布及其在運(yùn)行時(shí)所處的整體系統(tǒng)相關(guān)。因此，從設(shè)計(jì)工程師的角度出發(fā)，輻射 EMI 的問(wèn)題通常更具挑戰(zhàn)性，復(fù)雜度更高，在系統(tǒng)主板使用多個(gè) DC/DC 功率級(jí)時(shí)尤為如此。了解輻射 EMI 的基本機(jī)制以及測(cè)量要求、頻率范圍和相應(yīng)限制條件至關(guān)重要。本文重點(diǎn)介紹這些方面的內(nèi)容，展示輻射 EMI 測(cè)量裝置以及兩個(gè) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)果。

近場(chǎng)耦合

圖 1 概略介紹了噪聲源與受干擾電路之間基本 EMI 耦合模式特別是電感或 H 場(chǎng)耦合需要 di/dt 較高的時(shí)變電流源和兩條磁耦合回路（或帶有返回路徑的平行導(dǎo)線）。另一方面，電容或 E 場(chǎng)耦合需要 dv/dt 較高的時(shí)變電壓源和兩塊緊鄰的金屬板。這兩種機(jī)制均屬于近場(chǎng)耦合，其中的噪聲源與受干擾電路非常接近，可使用近場(chǎng)嗅探器進(jìn)行測(cè)量。

圖 1：EMI 耦合模式

例如，現(xiàn)代電源開關(guān)，特別是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 基晶體管，其輸出電容 COSS 較低，柵極電荷 QG 較少，能夠以極高的 dv/dt 和 di/dt 轉(zhuǎn)換率進(jìn)行開關(guān)。相鄰電路發(fā)生 H 場(chǎng)和 E 場(chǎng)耦合以及串?dāng)_的可能性很高。然而，隨著互感或電容減小，耦合結(jié)構(gòu)的間距增大，近場(chǎng)耦合顯著減弱。

遠(yuǎn)場(chǎng)耦合

典型的電磁 (EM) 波以 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)組合的形式傳播。輻射天線源附近的場(chǎng)結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的三維模式。從輻射源進(jìn)一步分析，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域中的 EM 波由彼此正交并且與傳播方向正交的 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)分量組成。圖 2 展示了這種平面波，它代表輻射 EMI 的主要基準(zhǔn)，受到各種輻射標(biāo)準(zhǔn)的約束。

圖 2：電磁平面波傳播

圖 3 所示的波阻抗等于電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域中的 E 和 H 分量同相，因此遠(yuǎn)場(chǎng)阻抗呈阻性，具體值可通過(guò)麥克斯韋方程（如方程 1 所示）的平面波解決方案計(jì)算：

如果 λ 是波長(zhǎng)，F(xiàn) 是所需頻率，方程 2 通常表示近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域之間的邊界：

然而，該邊界不是精確的標(biāo)準(zhǔn)，僅用于指示一般性過(guò)渡區(qū)域（圖 3 中描述為 l/16 至 3l），其中的場(chǎng)從復(fù)雜的分布形態(tài)演變?yōu)槠矫娌ā?/p>

鑒于多數(shù)天線設(shè)計(jì)用于檢測(cè)和響應(yīng)電場(chǎng)，輻射的電磁波通常稱為垂直或水平極化，具體取決于電場(chǎng)方向。測(cè)量 E 場(chǎng)天線一般應(yīng)與傳播的 E 場(chǎng)在同一平面中定向，從而檢測(cè)最大場(chǎng)強(qiáng)。因此，輻射 EMI 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)通常介紹接收天線以垂直和水平極化方式安裝時(shí)的測(cè)量。

工業(yè)和多媒體設(shè)備中的輻射EMI

表 1 列出了聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 第 15 部分 B 子節(jié)針對(duì)無(wú)意輻射體規(guī)定的 A 類和 B 類輻射發(fā)射限值。此外，本規(guī)范第 15.109(g) 條允許在使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ANSI) C63.4-2014 規(guī)定的測(cè)量方法時(shí)，使用國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 22 規(guī)定的輻射發(fā)射限值（如表 2 所述）。表 1 和表 2 中規(guī)定的限值均針對(duì)低于 1GHz 的頻率，使用 CISPR 準(zhǔn)峰值 (QP) 檢測(cè)器功能，分辨率帶寬 (RBW) 為 120kHz。表 3 和表 4 規(guī)定的限值針對(duì) 1GHz 以上的頻率，此時(shí)使用峰值 (PK) 和平均 (AVG) 檢測(cè)器以及分辨率帶寬為 1MHz 的接收器。

對(duì)于指定的測(cè)量距離，B 類民用或家用應(yīng)用限制通常比 A 類商用或工業(yè)應(yīng)用限制更嚴(yán)格，通常高出 6dB 至 10dB。另請(qǐng)注意，表 1 和表 2 還包括一個(gè)按照 15.31(f)(1) 使用的 20 dB/dec 的反向線性距離 (1/d) 比例系數(shù)，針對(duì) 3m 和 10m 天線測(cè)量距離對(duì)應(yīng)的限值進(jìn)行歸一化處理，從而確定合規(guī)性。例如，如果將天線放置在 3 米而非 10 米的位置，從而保持在測(cè)試設(shè)備邊界內(nèi)，則限制幅值調(diào)整約 10.5dB。

表 1：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 30MHz 到 1GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng) QP 限值

表 2：按照 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 30MHz 到 1GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng) QP 限值

表 3：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 1GHz 到 6GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)限值

表 4：按照 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 1GHz 到 6GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)限值

圖 4 展示了當(dāng)天線距離為 3m 時(shí)，A 類和 B 類相關(guān)限值的圖象。符合 FCC 的設(shè)計(jì)包括采用 Bluetooth? 低能耗技術(shù)的氣體傳感器實(shí)施方案，其由電池供電，可從德州儀器 (TI) 購(gòu)買。用戶可下載有關(guān)此設(shè)計(jì)的FCCA類合規(guī)性報(bào)告，其中列出輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)和圖象，以便查閱相關(guān)信息。

圖 4：FCC 第 15 部分和 CISPR 22 的 A 類和 B 類輻射限值（對(duì)于低于和高于 1GHz 這兩種條件，分別使用 QP 和 AVG 檢測(cè)器）

如圖 5 所示，輻射 EMI 測(cè)試程序包括將待測(cè)設(shè)備 (EUT) 和支持設(shè)備放置在半消聲室 (SAC) 或開闊試驗(yàn)場(chǎng) (OATS) 內(nèi)的非導(dǎo)電轉(zhuǎn)盤（高出基準(zhǔn)接地平面 0.8m）之上，遵循 CISPR 16-1 中所定義。EUT 設(shè)置在與安裝于天線塔上的接收天線相距 3m 的位置。

使用經(jīng)校準(zhǔn)的寬帶天線（雙錐形天線和對(duì)數(shù)周期天線組合，或者 Bilog 天線）的 PK 檢測(cè)器預(yù)掃描功能，沿水平和垂直兩種天線極化方向?qū)?30MHz 到 1GHz 的輻射發(fā)射進(jìn)行檢測(cè)。這種探究性測(cè)試可以確定所有重要發(fā)射的頻率。執(zhí)行該測(cè)試后，使用 QP 檢測(cè)器檢查相關(guān)的故障點(diǎn)，記錄最終合規(guī)測(cè)量值。

在測(cè)試期間，EMI 接收器的 RBW 設(shè)置為 120kHz。配置天線的水平和垂直極化方向（將其相對(duì)于接地平面旋轉(zhuǎn) 90°），并將高度調(diào)整為高出接地平面 1m 到 4m，以便在考慮地面反射時(shí)，將每個(gè)測(cè)試頻率對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)最大化。在測(cè)量期間，可將轉(zhuǎn)盤上的 EUT 在 0 到 360° 之間旋轉(zhuǎn)，使天線與 EUT 之間的方位角發(fā)生變化，以便根據(jù) EUT 的方位獲得最大場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)。天線位于 EUT 的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，對(duì)應(yīng)于 3m 天線距離，頻率為 15.9MHz。

圖 5：FCC 第 15 部分和 CISPR 22/32 對(duì)應(yīng)的輻射發(fā)射測(cè)量裝置

可以使用喇叭天線針對(duì) 1GHz 以上的頻率執(zhí)行 PK 檢測(cè)器預(yù)掃描，然后在接近限制時(shí)使用 AVG 檢測(cè)器。EMI 接收器的 RBW 設(shè)置為 1MHz。天線方向明確，因此無(wú)需執(zhí)行高度掃描，接地平面和暗室壁的反射也很難造成干擾。然而，EUT 在這些頻率下的輻射發(fā)射方向性更強(qiáng)，因此轉(zhuǎn)盤再次旋轉(zhuǎn) 360 度，確定天線極化方向以獲得最大響應(yīng)。根據(jù)表 5，測(cè)量頻率的上限范圍隨 EUT 的最高內(nèi)部頻率發(fā)生變化。

表5：輻射發(fā)射最大測(cè)量頻率（基于 EUT 內(nèi)部時(shí)鐘源的最高頻率）

輻射發(fā)射測(cè)試以每米若干分貝/微伏 (dB/mV) 為單位校準(zhǔn)電場(chǎng)強(qiáng)度。天線因子 (AF) 是天線平面產(chǎn)生的電場(chǎng) (mV/m) 與頻譜分析儀 (SA) 或掃描 EMI 接收器測(cè)得的電壓 (dB/mV) 之比。一般而言，校正的發(fā)射電平由方程 3 推導(dǎo)得出，推導(dǎo)時(shí)將 AF、電纜損耗 (CL)、衰減器和 RF 限制器損耗因子 (AL) 以及放大器預(yù)增益 (AG) 考慮在內(nèi)。

圖 6 所示為 LMR16030 60V/3A 降壓轉(zhuǎn)換器輻射發(fā)射測(cè)試裝置的照片和結(jié)果。測(cè)量條件為 24V 輸入、5V 輸出、3A 負(fù)載電流和 400kHz 開關(guān)頻率。

圖 6：CISPR 22 輻射 EMI 測(cè)試：測(cè)試裝置照片 (a)；水平和垂直極化天線的輻射 EMI 結(jié)果 (b)

汽車系統(tǒng)中的輻射EMI

盡管屏蔽電纜可以削弱汽車系統(tǒng)中的干擾效應(yīng)，但 EMI 可通過(guò)串?dāng)_“有效地”在易受影響的電路中耦合。在場(chǎng)線耦合效應(yīng)的作用下，對(duì)于體積相對(duì)較小但電源分布密集、信號(hào)通過(guò)電纜束的車輛，輻射排放還可能導(dǎo)致信號(hào)互連出現(xiàn)輻射抗擾問(wèn)題?；谏鲜鲈?，評(píng)估 EMI 性能便成為汽車工程師在設(shè)計(jì)和測(cè)試電動(dòng)汽車時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

UNECE 10號(hào)法規(guī)和CISPR 25

CISPR 12 和 CISPR 25 均為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提供無(wú)線電干擾測(cè)量的限值和程序，分別為汽車的車載和非車載接收器提供保護(hù)。CISPR 25 特別適用于汽車級(jí)別，也適用于所有車用電子組件 (ESA)。與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，CISPR 25 通常作為汽車制造商及其供應(yīng)商定義產(chǎn)品規(guī)格的基礎(chǔ)，但不是評(píng)定合規(guī)性和遵從情況的基準(zhǔn)。自歐盟電動(dòng)汽車 EMC 指令廢止后，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) (UNECE) 第 10 條規(guī)定中出現(xiàn)這一差別。

CISPR 25 針對(duì)車輛元器件排放測(cè)量定義了數(shù)種方法和限值類別，兼顧寬帶 (BB) 源和窄帶 (NB) 源。圖 7 說(shuō)明了針對(duì)元器件/模塊使用 PK 和 AVG 檢測(cè)器的 5 類限值。測(cè)量對(duì)象為車輛中工作在廣播和移動(dòng)服務(wù)頻帶中的接收器。最低測(cè)量頻率涉及 150kHz 至 300kHz 的歐洲長(zhǎng)波 (LW) 廣播頻帶，最高頻率為 2.5GHz（考慮藍(lán)牙傳輸）。

圖 7：使用內(nèi)襯吸收器的屏蔽外殼 (ALSE) 方法，通過(guò)峰值和平均值檢測(cè)器（線性頻率標(biāo)度）測(cè)得的元器件/模塊的 CISPR 25 5 類輻射限值

對(duì)于 30MHz 以下和以上兩種條件下的檢測(cè)，掃描接收器的 RBW 分別為 9kHz 和 120kHz。例外情況是 GPS L1 民用（1.567GHz 至 1.583GHz）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GLONASS) L1（1.591GHz 至 1.613GHz）頻段。在這兩種頻段下，需要 9kHz 的 RBW 和 5kHz 的最大步長(zhǎng)，從而在僅使用 AVG 檢測(cè)器的情況下檢測(cè)出相應(yīng)的 NB 發(fā)射。

CISPR 25的天線系統(tǒng)

使用額定輸出阻抗為 50Ω 的線性極化電場(chǎng)天線進(jìn)行測(cè)量。表 6 和圖 8 顯示了 CISPR 25 建議使用的天線，可提升不同實(shí)驗(yàn)室所提供結(jié)果的一致性。

表 6：根據(jù) CISPR 25，建議使用電場(chǎng)天線；雙錐形天線和對(duì)數(shù)周期天線存在疊加頻率，而 Bilog 天線覆蓋了二種天線各自的頻率范圍。

圖 8：符合 CISPR 25 規(guī)范的測(cè)量天線

對(duì)于低頻測(cè)量，使用帶地網(wǎng)的無(wú)源/有源拉桿單極天線。雙錐形和對(duì)數(shù)周期偶極子陣列 (LPDA) 天線通常分別覆蓋 30MHz 至 200MHz 和 200MHz 至 1GHz 的頻率范圍。最后，雙脊喇叭天線 (DRHA) 通常用于 1GHz 至 2.5GHz。寬帶 Bilog 天線的外型比雙錐形或?qū)?shù)周期天線更大，有時(shí)用于覆蓋 30MHz 至 1GHz 的頻率范圍。

使用ALSE進(jìn)行輻射EMI測(cè)試

圖 9、10 和 11 所示為使用 CISPR 25 ALSE 方法（也稱天線方法）的典型裝置，針對(duì)表 6 中規(guī)定的頻率范圍進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)量。

EUT 和電纜束放置在高出接地平面 50mm 的非導(dǎo)體介電材料（相對(duì)介電常數(shù) εr 較低，不高于 1.4）之上。與接地平面前部平行的線束長(zhǎng)度為 1.5m，EUT 與負(fù)載模擬器之間測(cè)試線束的總長(zhǎng)度不超過(guò) 2m。測(cè)試線束的長(zhǎng)段平行于接地平面朝向天線的邊緣，與邊緣相距 100mm。接地平面的要求是最小寬度和長(zhǎng)度分別為 1m 和 2m，或者在整個(gè)設(shè)備下方加上 200mm，取其中的較大值。根據(jù)方程式 2 給定的近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換以及 1m 天線距離，在 EUT 的近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，頻率必須低于 48MHz。

圖 9：?jiǎn)螛O拉桿天線（150kHz 至 30MHz）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測(cè)量裝置

圖 10：雙錐形天線（30MHz 至 300MHz）或?qū)?shù)周期天線（200MHz 至 1GHz）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測(cè)量裝置

圖 11：喇叭天線（1GHz 以上）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測(cè)量裝置

喇叭天線與 EUT 對(duì)齊，其他天線則放置在線束中點(diǎn)。執(zhí)行所有測(cè)量時(shí)，天線距離均為 1 米。頻率范圍為 150kHz 至 30MHz 的測(cè)量?jī)H針對(duì)垂直天線極化執(zhí)行。頻率范圍為 30MHz 至 2.5GHz 的掃描同時(shí)針對(duì)水平極化和垂直極化執(zhí)行。

如前文所述，EMI 接收器與 AF 結(jié)合所檢測(cè)到的天線電壓可在天線位置產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度。請(qǐng)注意，獨(dú)立的 AF 可用于水平和垂直極化，因此可以使用相應(yīng)的 AF 值對(duì)每個(gè)極化方向進(jìn)行測(cè)量。

輻射EMI預(yù)合規(guī)測(cè)試及結(jié)果

圖 12 為 LM53635-Q1 汽車級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器 [9] 輻射發(fā)射測(cè)試裝置的照片。EUT 由汽車電池供電，正負(fù)供電線路均連接線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)。3.5A 阻性負(fù)載下的輸出為 3.3V。開關(guān)頻率為 2.1MHz，高于許多汽車系統(tǒng)所需的 AM 頻帶，同時(shí)啟用了擴(kuò)頻調(diào)頻 (SSFM)。圖 13 至 16 顯示了使用各種測(cè)試天線通過(guò) CISPR 25 5 類限值要求的測(cè)量結(jié)果。

圖 12：CISPR 25 預(yù)合規(guī)測(cè)量裝置照片

圖 13：輻射發(fā)射結(jié)果：150kHz 至 30MHz，拉桿天線，垂直極化

圖 14：輻射發(fā)射結(jié)果：30MHz 至 300MHz，雙錐形天線，水平和垂直極化

圖 15：輻射發(fā)射結(jié)果：200MHz 至 1GHz，對(duì)數(shù)周期天線，水平和垂直極化

圖 16：輻射發(fā)射結(jié)果：1GHz 至 2.5GHz，喇叭天線，水平極化

結(jié)論

輻射發(fā)射影響電源轉(zhuǎn)換器在高頻條件的 EMI 特性 [10]。輻射測(cè)試的上限頻率擴(kuò)展到 1GHz 甚至更高（取決于規(guī)范），遠(yuǎn)高于傳導(dǎo)發(fā)射。雖然不像傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試那樣簡(jiǎn)單直接，但輻射發(fā)射測(cè)量對(duì)于合規(guī)測(cè)試不可或缺，很容易成為產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的瓶頸。

對(duì)于汽車應(yīng)用，由于長(zhǎng)度原因，電纜束在低頻條件下主要采用輻射結(jié)構(gòu)。測(cè)得的輻射發(fā)射曲線主要來(lái)源于所連接電纜中的共模電流，由印刷電路板 (PCB) 與電纜之間的近場(chǎng)電耦合驅(qū)動(dòng)。我將在本文的后續(xù)章節(jié)探討輻射 EMI 減弱技術(shù)。

審核編輯：何安