EMC測(cè)試實(shí)質(zhì)，傳導(dǎo)騷擾測(cè)試實(shí)質(zhì)

一、輻射發(fā)射測(cè)試實(shí)質(zhì)

輻射發(fā)射測(cè)試實(shí)質(zhì)上就是測(cè)試產(chǎn)品中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號(hào)，第一種是等效天線信號(hào)環(huán)路，環(huán)路是產(chǎn)生的輻射等效天線，這種輻射產(chǎn)生的源頭是環(huán)路中流動(dòng)著的電流信號(hào)（這種電流信號(hào)通常為正常工作信號(hào)，它是一種差模信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)及其諧波），如圖1所示。

圖1 環(huán)路成為等效輻射天線

如果環(huán)路面積為S的環(huán)路中流動(dòng)著電流強(qiáng)度為I、頻率為F的信號(hào)，那么，在自由空間中，距環(huán)路D處所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度為：

式中，E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為 μV／m；S 為環(huán)路面積，單位為cm2；I 為電流強(qiáng)度，單位為A；F為信號(hào)頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m。電子產(chǎn)品中任何信號(hào)的傳遞都存在環(huán)路，如果信號(hào)是交變的，那么信號(hào)所在的環(huán)路都會(huì)產(chǎn)生輻射，當(dāng)產(chǎn)品中信號(hào)的電流大小、頻率確定后，信號(hào)環(huán)路產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度與環(huán)路面積有關(guān)，因此，控制信號(hào)環(huán)路的面積是控制EMC問(wèn)題的一個(gè)重要的課題。

產(chǎn)品中產(chǎn)生無(wú)意輻射的另一種等效天線模型是 單極天線（如圖2（a）所示），或?qū)ΨQ偶極子天線（如圖2（b）所示），這些被等效成單極天線或?qū)ΨQ偶極子天線的導(dǎo)體通常是產(chǎn)品中的電纜或其他尺寸較長(zhǎng)的導(dǎo)體。這種輻射產(chǎn)生的源頭是電纜或其他尺寸較長(zhǎng)的導(dǎo)體中（等效天線）流動(dòng)著的共模電流信號(hào)。它通常不是電纜或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體中的有用工作信號(hào)，而是一種寄生的“無(wú)用”信號(hào)，研究這種產(chǎn)生共模輻射的共模電流大小是研究輻射發(fā)射問(wèn)題的重點(diǎn)。

圖2 單極天線和偶極子天線輻射模型

如圖2所示，如果在天線上流動(dòng)著電流強(qiáng)度為I、頻率為F的信號(hào)，那么，在距天線D處所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度為：當(dāng)F≥30 MHz，D≥1 m并且L＜λ／2時(shí)，

當(dāng)L≥λ／2時(shí)，

上述式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為μV／m；I為電流強(qiáng)度，單位為μA；F為信號(hào)頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m；L為電纜長(zhǎng)度，單位為m。在電子產(chǎn)品中，除了產(chǎn)品功能電路原理圖所表述的信息外，還存在非常多未知的信息，如信號(hào)線與信號(hào)線之間的寄生電容、寄生互感，信號(hào)線與參考地之間的寄生電容，信號(hào)線的引線電感，等等。這些參數(shù)都是頻率相關(guān)參數(shù)，而且值都很小，在直流或低頻情況下，通常被設(shè)計(jì)者忽略，但是在輻射發(fā)射所考慮的高頻范圍內(nèi)，這些參數(shù)將會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越重要的影響。

也是這些原因使得產(chǎn)品中的這些等效天線（電纜或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體）中寄生著一種非期望的共模電流，它的電流強(qiáng)度很?。ㄍǔＴ趍A級(jí)以下或μA級(jí)），但是它是產(chǎn)生產(chǎn)品輻射發(fā)射的主要原因。通過(guò)大量的實(shí)踐證明大部分產(chǎn)品中的輻射發(fā)射問(wèn)題產(chǎn)生于產(chǎn)品中這種等效的單極天線或偶極子天線，特別是隨著多層PCB技術(shù)應(yīng)用，信號(hào)的環(huán)路面積被控制得越來(lái)越小，正常工作信號(hào)環(huán)路所產(chǎn)生的輻射越來(lái)越有限。對(duì)于軍標(biāo)和汽車電子相關(guān)產(chǎn)品的輻射發(fā)射測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)會(huì)要求在試驗(yàn)臺(tái)上鋪設(shè)參考接地板，并把EUT包括EUT上的電纜（等效輻射發(fā)射天線）放置在離該參考接地板5 cm高的絕緣支架上，這塊參考接地板將對(duì)輻射發(fā)射結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。在理論上，當(dāng)EUT中成為輻射發(fā)射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度時(shí)（如圖3所示）。

圖3 置于參考接地板上的電纜輻射

發(fā)射被參考接地板衰減當(dāng)h≤λ／10時(shí)，

當(dāng)h＞λ／10時(shí)，

中，h為輻射發(fā)射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度，單位為（m）；E0 為輻射發(fā)射等效天線的電纜在自由空間中的輻射強(qiáng)度，單位為（V／m）；E（h）為輻射發(fā)射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度時(shí)向空間輻射強(qiáng)度，單位為（V／m）；λ為波長(zhǎng)，單位為（m）。

根據(jù)單極天線和偶極子天線輻射模型的輻射原理，既然形成單極天線和偶極子天線輻射的原因是天線上的共模電流（對(duì)應(yīng)到產(chǎn)品中就是電纜上或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體上的共模電流），那么在軍標(biāo)和汽車電子相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輻射發(fā)射測(cè)試條件下，某些被測(cè)產(chǎn)品中等效天線上同樣大小的共模電流，在同等測(cè)試距離的情況下，將比其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射發(fā)射測(cè)試條件下所測(cè)得的輻射發(fā)射更低。

CISPR25標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系見表1。表1 CISPR25標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系？

而EN55022或CISPR22標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系見表2。

表2 EN55022或CISPR22標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系。

二、傳導(dǎo)騷擾測(cè)試實(shí)質(zhì)

LISN是電源端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，從圖4中可以看出，接收機(jī)接于LISN中的1 kΩ的電阻與地之間，當(dāng)接收機(jī)與LISN進(jìn)行互連后，接收機(jī)信號(hào)輸入口本身的阻抗50 Ω與LISN中的1 kΩ電阻處于并聯(lián)狀態(tài)，其等效阻抗接近于50 Ω，由此也可以看出，電源端口傳導(dǎo)騷擾的實(shí)質(zhì)就是測(cè)試50 Ω 阻抗（這個(gè)阻抗由LISN中的1 kΩ的電阻與接收機(jī)的輸入阻抗并聯(lián)而成）兩端的電壓。

當(dāng)阻抗50 Ω一定時(shí)，電源端口傳導(dǎo)騷擾的實(shí)質(zhì)也可以理解為流過(guò)這個(gè)50 Ω阻抗的電流的大小。在實(shí)際產(chǎn)品中有兩種電流會(huì)流過(guò)這個(gè)50 Ω阻抗，一種是圖4 中的IDM，另一種是圖4中的 ICM。無(wú)論是IDM還是ICM，都會(huì)在接收機(jī)中顯示出測(cè)試值，而接收機(jī)本身無(wú)法判斷是哪種電流引起的傳導(dǎo)騷擾。這需要設(shè)計(jì)者去控制與分析?？刂飘a(chǎn)品中的騷擾電流不流過(guò)LISN和接收機(jī)并聯(lián)組成的50 Ω阻抗是解決電源端口傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)大量的實(shí)踐證明，大部分的電源端口傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題產(chǎn)生于ICM，它是一種共模電流，分析其路徑和大小有著極其重要的意義。

圖4 引起電源端口傳導(dǎo)騷擾的電流

電流探頭是信號(hào)端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備。圖5是信號(hào)端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試配置圖，從圖5 中可以明確看到電流探頭實(shí)質(zhì)上測(cè)試的就是EUT電纜上的共模電流。當(dāng)然與單極天線或偶極子天線模型產(chǎn)生輻射發(fā)射一樣，引起信號(hào)端口傳導(dǎo)騷擾的共模電流通常不是信號(hào)端口上的正常工作電流信號(hào)，而是一些“無(wú)意”的共模電流引起的?？梢?，信號(hào)端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試實(shí)質(zhì)上與輻射發(fā)射測(cè)試中因產(chǎn)品中的電纜或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體產(chǎn)生的等效單極天線或偶極子天線模型而產(chǎn)生的輻射發(fā)射是一致的，只是頻段上不一樣。

圖5 信號(hào)端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試配置圖

三、ESD抗擾度測(cè)試實(shí)質(zhì)

圖6 某一產(chǎn)品進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)的ESD放電電流分布路徑

從ESD測(cè)試配置描述可以看出，在進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)，需要將靜電槍的接地線接至參考接地板（參考接地板接安全地），EUT放置于參考接地板之上（通過(guò)臺(tái)面或0．1 m高的支架），靜電放電槍頭指向EUT中各種可能會(huì)被手觸摸到的部位或水平耦合板和垂直耦合板，這就決定了ESD測(cè)試是一種以共模為主的抗擾度測(cè)試，因?yàn)镋SD電流最終總要流向參考接地板。ESD干擾原理可以從兩方面來(lái)考慮。首先，當(dāng)靜電放電現(xiàn)象發(fā)生在EUT中被測(cè)部位時(shí)，伴隨著ESD放電電流也將產(chǎn)生，分析這些ESD放電電流的路徑和電流大小具有極其重要的意義。

值得注意的是，ESD接觸放電電流波形的上升沿時(shí)間會(huì)在1 ns以下，這意味著ESD是一種高頻現(xiàn)象。ESD放電電流路徑與大小不但由EUT的內(nèi)部實(shí)際連接關(guān)系（這部分連接主要在電路原理圖中體現(xiàn)）決定，而且還會(huì)受這種分布參數(shù)的影響。圖6表達(dá)了某一產(chǎn)品進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)的ESD放電電流分布路徑。圖6中的CP1、CP2、CP3分別是放電點(diǎn)與內(nèi)部電路之間的寄生電容、電纜與參考接地板之間的寄生電容和EUT殼體與參考接地板之間的寄生電容。這些電容的大小都會(huì)影響各條路徑上的ESD電流大小。

如果有一條ESD電流路徑包含了產(chǎn)品的內(nèi)部工作電路，那么該產(chǎn)品在進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)受ESD的影響就會(huì)很大；反之則產(chǎn)品更容易通過(guò)ESD測(cè)試?？梢?，如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能避免ESD共模電流流過(guò)產(chǎn)品內(nèi)部電路，那么這個(gè)產(chǎn)品的抗ESD干擾的設(shè)計(jì)是成功的，ESD抗擾度測(cè)試實(shí)質(zhì)上包含了一個(gè)瞬態(tài)共模電流（ESD電流）流過(guò)產(chǎn)品（瞬態(tài)共模電流）干擾正常工作電路的原理。

其次，ESD測(cè)試時(shí)所產(chǎn)生的ESD電流還伴隨瞬態(tài)磁場(chǎng)，當(dāng)這種時(shí)變的磁環(huán)經(jīng)過(guò)電路中的任何一個(gè)環(huán)路時(shí)，該環(huán)路中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而影響環(huán)路中的正常工作電路。四、共模傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試實(shí)質(zhì)共?？箶_度測(cè)試以共模電壓的形式把干擾疊加到被測(cè)產(chǎn)品的各種電源端口和信號(hào)端口上，并以共模電流的形式注入到被測(cè)產(chǎn)品的內(nèi)部電路中（產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)架對(duì)EFT／B共模電流的路徑與大小起著決定性的作用，或直接以共模電流的形式注入到被測(cè)產(chǎn)品的內(nèi)部電路中，共模電流在產(chǎn)品內(nèi)部傳輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)轉(zhuǎn)化成差模電壓并干擾內(nèi)部電路正常工作電壓（產(chǎn)品電路中的工作電壓是差模電壓）。

對(duì)于單端傳輸信號(hào)，如圖1所示，當(dāng)同時(shí)注入到信號(hào)線和GND地線上的共模干擾信號(hào)進(jìn)入電路時(shí)，在IC1的信號(hào)的端口處，由于S1于GND所對(duì)應(yīng)的阻抗不一樣（S1 較高，GND較低），共模干擾信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)化成差模信號(hào)，差模信號(hào)存在于S 1 與GND之間。這樣，干擾首先會(huì)對(duì)IC1的輸入口產(chǎn)生干擾。濾波電容C的存在，使IC1 的第一級(jí)輸入受到保護(hù)，即在IC1 的輸入信號(hào)端口和地之間的差模干擾被C濾除或旁路（如果沒(méi)有C的存在，可能干擾就會(huì)直接影響IC1的輸入信號(hào)），然后，大部分會(huì)沿著PCB中的低阻抗地層從一端流向地層的另一端，后一級(jí)的干擾將會(huì)在干擾電流流過(guò)地系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生（當(dāng)然這里忽略了串?dāng)_的因素，串?dāng)_的存在將使干擾電流的流徑路徑復(fù)雜化，因此串?dāng)_的控制在EMC設(shè)計(jì)中也是非常重要的一步）。

圖7共模干擾電流流過(guò)地阻抗時(shí)產(chǎn)生的壓降

其中，圖7中的Z0V表示PCB中兩個(gè)集成電路之間的地阻抗，US表示集成電路IC1向集成電路IC2傳遞的信號(hào)電壓。共模干擾電流流過(guò)地阻抗 Z0V時(shí)，Z0V的兩端就會(huì)產(chǎn)生壓降 UCM≈Z0V Iext。該壓降對(duì)于集成電路IC 2 來(lái)說(shuō)相當(dāng)于在IC 1 傳遞給它的電壓信號(hào) U S 上又疊加了一個(gè)干擾信號(hào)U CM，這樣IC 2 實(shí)際上接受到的信號(hào)為U S＋U CM，這就是干擾。干擾電壓的大小不但與共模瞬態(tài)干擾的電流大小有關(guān)，還與地阻抗 Z0V的大小有關(guān)。當(dāng)干擾電流一定的情況下，干擾電壓UCM的大小由Z0V決定。也就是說(shuō)，PCB中的地線或地平面阻抗與電路的瞬態(tài)抗干擾能力有直接影響。

例如，一個(gè)完整（無(wú)過(guò)孔、無(wú)裂縫）的地平面，在100 MHz的頻率時(shí)，只有3．7 mΩ的阻抗。即使有100 A的瞬態(tài)電流流過(guò)3．7 mΩ 的阻抗，也只會(huì)產(chǎn)生0．37 V的壓降，這對(duì)于3．3 V的TTL電平的電路來(lái)說(shuō)，是可以承受的，因?yàn)?．3 V的TTL電平總是要在0．8 V以上的電壓下才會(huì)發(fā)生邏輯轉(zhuǎn)換，這已經(jīng)是具有相當(dāng)?shù)目垢蓴_能力了。又如，流過(guò)電快速瞬變脈沖群干擾的地平面存在1 cm的裂縫，那么這個(gè)裂縫將會(huì)有1 nH的電感，這樣當(dāng)由100 A的電快速瞬變脈沖群共模電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的壓降：V＝ ｜ L×dI／dt｜ ＝1 nH×100 A／5 ns＝20 V20 V的壓降對(duì)3．3 V電平的TTL電路來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的，可見PCB中地阻抗對(duì)抗干擾能力的重要性。

實(shí)踐證明對(duì)于3．3 V的TTL電平邏輯電路來(lái)說(shuō)，共模干擾電流在地平面上的壓降小于0．4 V將是安全的；如果大于2．0 V將是危險(xiǎn)的。對(duì)于2．5 V的TTL電平邏輯電路，這些電壓將會(huì)更低一點(diǎn)（0．2V和1．7V），從這個(gè)意識(shí)上，3．3V TTL電平的電路比2．5V電平的TTL電路具有更高的抗干擾能力。

對(duì)于差分傳輸信號(hào)，當(dāng)共模電流ICM流過(guò)地平面時(shí)，必然會(huì)在地平面的阻抗Z0V兩端產(chǎn)生壓降，當(dāng)共模電流ICM一定時(shí)，地平面阻抗越大，壓降越大。像單端信號(hào)被干擾的原理一樣，這個(gè)壓降猶如施加在差分線的一根信號(hào)線與參考地之間，即圖8中所示的 UCM1、UCM2、UCM3、UCM4。

圖8 共模干擾電流對(duì)差分電路的干擾原理

由于差分線對(duì)的一根線與參考地之間的阻抗Z1、Z2，接收器與發(fā)送器的輸入／輸出阻抗Z S1、Z S2，總是不一樣的（由于寄生參考的影響，實(shí)際布線中不可能做到兩根差分線對(duì)的對(duì)地阻抗一樣），從而造成UCM1、UCM2、UCM3、UCM4的值也不相等，差異部分即轉(zhuǎn)化為差模干擾電壓Udiff，對(duì)差分信號(hào)電路產(chǎn)生干擾?？梢姡瑢?duì)于差分電路來(lái)說(shuō)，地平面的阻抗也同樣重要，同時(shí)PCB布線時(shí)，保證差分線對(duì)的各種寄生參數(shù)平衡一致也很重要。

五、差模傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試實(shí)質(zhì)

差模傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試原理非常簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)，差模干擾電壓直接疊加在正常工作電路上，然后觀察電路工作是否正常。由于單一的差模傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試通常都是低頻的測(cè)試，而且都是針對(duì)瞬態(tài)干擾的抗擾度測(cè)試，這樣傳遞干擾路徑的分析也比較容易，因?yàn)檩^小的寄生參數(shù)不會(huì)對(duì)低頻信號(hào)傳輸產(chǎn)生較大的影響。

六、差模共?；旌系膫鲗?dǎo)性抗擾度測(cè)試實(shí)質(zhì)差模共模混合的傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試主要是指，在傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試中，既要進(jìn)行差模測(cè)試又要進(jìn)行共模測(cè)試，或在差模過(guò)程中既有共模的干擾直接注入到產(chǎn)品被測(cè)端口上，又有差模的干擾直接注入到產(chǎn)品被測(cè)端口上的傳導(dǎo)性抗擾度測(cè)試。
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