中心論題：
- 分析電子產(chǎn)品輻射泄露的途徑、機(jī)理和條件
- 針對(duì)不同的輻射泄露途徑提出抑制方法
解決方案：
- 解決機(jī)箱泄露輻射
- 解決設(shè)備連接線輻射
- 抑制共模電流輻射
序言
電子電氣設(shè)備在正常工作時(shí)，同時(shí)向周圍空間輻射電磁騷擾，可能影響其它設(shè)備的工作。為此很多國家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了對(duì)電磁發(fā)射的測(cè)量方法和限值，例如GB9254、GB4824、GBl3837等分別規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備、工科醫(yī)設(shè)備、電子測(cè)量儀器、聲音和電視廣播接收機(jī)等設(shè)備的輻射發(fā)射限值。在輻射發(fā)射測(cè)量中很多設(shè)備的騷擾場(chǎng)強(qiáng)往往在某些頻率段超過限值，因此制造商迫切需要了解超標(biāo)的原因以及應(yīng)采取的措施。通常設(shè)備的輻射發(fā)射可由兩部分組成：一部分是設(shè)備內(nèi)部的電磁能量通過機(jī)箱泄漏；另一部分是設(shè)備的連接線作為天線輻射電磁能量。以下將分別進(jìn)行討論。
電子產(chǎn)品輻射的泄漏途徑和抑制
a.通過機(jī)箱的泄漏
設(shè)備內(nèi)的元器件、集成片、印刷電路板的走線、有信號(hào)電流經(jīng)過的地方都可能向周圍空間輻射電磁能量，頻率越高就越容易產(chǎn)生電磁輻射。如果設(shè)備采用非屏蔽機(jī)箱，則這些電磁能量就直接傳遞到設(shè)備外部空間。如果設(shè)備采用金屬機(jī)箱，或在塑料機(jī)箱內(nèi)噴涂一層金屬作為屏蔽層，則電磁能量可能會(huì)被限制在設(shè)備內(nèi)部，限制的程度取決于機(jī)箱的屏蔽效能。薄薄的一層完整金屬具有很高的屏蔽效能，但是如果上面有較大的孔或較長的縫隙，則屏蔽效能就會(huì)大大下降，產(chǎn)生電磁能量泄漏。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，這些孔縫相當(dāng)于一個(gè)二次發(fā)射天線，當(dāng)這些孔縫長度等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，漏泄能量最大。對(duì)于固定的孔縫長度，頻率越高，泄漏越嚴(yán)重。一般要求孔縫長度應(yīng)為：1＜λ／20(商用設(shè)備，屏蔽效能20dB)或1＜λ／50(軍用設(shè)備，屏蔽效能28dB)，λ為設(shè)備內(nèi)可能輻射的最高頻率的波長。如設(shè)備內(nèi)工作信號(hào)是數(shù)字脈沖，或者由于開關(guān)瞬態(tài)操作產(chǎn)生脈沖噪聲，則應(yīng)該考慮的輻射發(fā)射最高頻率為1／(π)，其中是脈沖的上升時(shí)間，或者為10倍的時(shí)鐘頻率。
判別設(shè)備的輻射騷擾是否主要由機(jī)箱泄漏引起，可把設(shè)備連接線拆除，然后再測(cè)量輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)。如果加和不加連接線對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有明顯影響，說明機(jī)箱泄漏起主要作用。這時(shí)可用近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭(例如HP 11940A)沿孔縫移動(dòng)，尋找泄漏點(diǎn)。探頭接頻譜分析儀，可觀察不同頻率的泄漏情況。如果在某個(gè)縫隙發(fā)現(xiàn)較大的泄漏場(chǎng)強(qiáng)，可臨時(shí)在該處貼一條金屬導(dǎo)電帶，該金屬帶應(yīng)與機(jī)箱的金屬面有良好的導(dǎo)電搭接。如果輻射場(chǎng)強(qiáng)明顯減小，則說明泄漏位置尋找正確，在今后的設(shè)計(jì)中要加以改進(jìn)，使縫隙尺寸滿足要求。例如添加導(dǎo)電襯墊、采用波導(dǎo)設(shè)計(jì)、縮短連接螺絲的間距等等。
如果機(jī)箱必須是非金屬的，則應(yīng)該用近場(chǎng)探頭探測(cè)設(shè)備內(nèi)的元器件、走線等，找出輻射源，采取相應(yīng)措施，例如元器件屏蔽、印刷板布線時(shí)盡量減小電流環(huán)路面積等。
b.設(shè)備連接線的輻射
在輻射發(fā)射測(cè)試中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備加上I／O線、控制線等連接線以后，在有些頻率段輻射場(chǎng)強(qiáng)就有很大提高，即使連接線終端沒有加負(fù)載也是如此。這時(shí)連接線就變成了天線，向外發(fā)射電磁能量。以下對(duì)這種輻射的機(jī)理進(jìn)行分析。
1. 差模電流輻射和共模電流輻射
連接線上流過高頻電流時(shí)才能向外發(fā)射電磁能量。電流的傳輸有兩種方式：共模方式及差模方式。一對(duì)導(dǎo)線上如果流過差模電流，則兩條線上的電流，大小相等，方向相反，一般有用信號(hào)都是差模電流。一對(duì)導(dǎo)線上如果流過共模電流，則兩條線上的電流方向相同。騷擾電流在連接線上既可以差模方式出現(xiàn)，也可以共模方式出現(xiàn)。如果連接線終端沒有加負(fù)載，連接線上就沒有差模電流存在，只有共模電流，其產(chǎn)生的輻射稱為共模電流輻射。如果連接線終端是有負(fù)載的，則可用電流鉗來判斷是否存在共模電流。電磁兼容使用的電流鉗一般具有較寬的頻帶。把電流鉗卡在導(dǎo)線對(duì)上，電流鉗測(cè)得的信號(hào)連接到頻譜儀上，頻譜儀上顯示的則是導(dǎo)線對(duì)上的共模電流。導(dǎo)線對(duì)上的差模電流在電流鉗中產(chǎn)生的磁通互相抵消，所以不會(huì)有顯示。 連接線作為天線發(fā)射電磁騷擾，主要是以共模電流輻射形式。因?yàn)閭鬏斢杏眯盘?hào)的導(dǎo)線對(duì)常常是緊靠在一起的，而且經(jīng)常使用雙絞線，所以差模電流在周圍空間產(chǎn)生的輻射場(chǎng)往往大小相等，方向相反，從而相互抵消。而導(dǎo)線對(duì)中兩根導(dǎo)線上的共模電流產(chǎn)生的輻射場(chǎng)則相互迭加。如果在計(jì)算機(jī)常用的扁平饋線中抽取相鄰的兩根導(dǎo)線，線長1米，導(dǎo)線對(duì)上分別加以共模和差模電流，在離導(dǎo)線對(duì)3米處按GB9254規(guī)定測(cè)量騷擾場(chǎng)強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明如果該處場(chǎng)強(qiáng)要達(dá)到B類設(shè)備的限值(30~230 MHz時(shí)為40 dBμV／m)，則差模電流要求為20 mA，而共模電流只要8 μA，兩者相差2500倍。由此可見，共模電流輻射的抑制是非常重要的。
2. 共模電流輻射的基本驅(qū)動(dòng)模式
共模電流輻射實(shí)際上都是由差模源(有用信號(hào)源)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的，可大致分為兩種基本驅(qū)動(dòng)模式：電流驅(qū)動(dòng)模式和電壓驅(qū)動(dòng)模式。
1)電流驅(qū)動(dòng)模式
圖1是電流驅(qū)動(dòng)模式的示意圖。圖1(a)中UDM是差模電壓源，設(shè)備內(nèi)部有很多這樣的源，例如各種數(shù)字信號(hào)電路、高頻振蕩源等等，ZL為回路負(fù)載，IDM為回路負(fù)載的差模電流，該電流流過AB兩點(diǎn)間的回流地(例如印制板的地線)，回到差模源。如AB間存在一定的電感LP，則產(chǎn)生壓降為
這里UCM就是產(chǎn)生共模輻射的驅(qū)動(dòng)源。要產(chǎn)生輻射，除了源以外還必須有天線。這里的天線有兩部分組成，一部分是由A點(diǎn)向左看的地線部分，另一部分是由B點(diǎn)向右看的地線部分和外接電纜。其組成的輻射系統(tǒng)的等效電路如圖1(b)所示，這實(shí)際上是一付不對(duì)稱振子天線。流過天線的電流即為共模電流，可用下式表示
由于共模電流ICM是由差模電流IDM產(chǎn)生的，所以這種模式稱電流驅(qū)動(dòng)模式。以下舉二例說明電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的共模輻射。
例1：在印制電路板上為了把數(shù)字部分和模擬部分隔離，常把地分割成數(shù)字地和模擬地。如果這兩部分之間有信號(hào)聯(lián)系，如圖2所示，并且數(shù)字地和模擬地的連接部分AB比較細(xì)長，存在一定電感，則差模電流IDM將在AB連接線的電感上產(chǎn)生共模驅(qū)動(dòng)電壓源，從而引起共模輻射，天線一部分是數(shù)字地，另一部分是模擬地和外接地線。
例2：印制電路板的地通過接地導(dǎo)線與機(jī)殼相連，如圖3所示。印制板上有信號(hào)線與機(jī)殼貼近，于是差模源VDM通過分布電容C耦合到機(jī)殼上，引起差模電流，該電流通過機(jī)殼和接地線又回到印制板的差模源。如果接地線存在一定的電感L，則差模電流在L上產(chǎn)生電壓降VCM，成為共模驅(qū)動(dòng)電壓，從而引起共模輻射。這時(shí)天線的一部分是外接地線，另一部分是機(jī)殼。這種輻射常發(fā)生在以下情況，例如設(shè)備內(nèi)部的地址線、數(shù)據(jù)線等扁平電纜貼近機(jī)殼，分布電容較大，印制板和機(jī)殼之間的連接線細(xì)長或接觸不良等等。
2)電壓驅(qū)動(dòng)模式
電壓驅(qū)動(dòng)模式的原理如圖4所示，圖中差模電壓源VCM直接驅(qū)動(dòng)天線的兩個(gè)部分，即上金屬部分和下金屬部分，從而產(chǎn)生共模輻射，共模輻射電流ICM為
圖5是電壓驅(qū)動(dòng)模式的一個(gè)實(shí)例。圖中Q是大功率的開關(guān)管，Q可看成是差模電壓源UDM，共模電流ICM的途徑是由Q通過開關(guān)管和散熱片之間的分布電容Cd到達(dá)散熱片，散熱片是共模天線的一個(gè)極。然后以空間位移電流的形式，即通過C A到達(dá)外部接線，外部接線是天線的另一個(gè)極，共模電流再由印制板地回到Q。
c 產(chǎn)生共模電流輻射的條件
產(chǎn)生共模電流輻射的條件一是要有共模驅(qū)動(dòng)源，二是要有共模天線。任何兩個(gè)金屬體之間只要存在射頻電位差就構(gòu)成共模輻射系統(tǒng)，兩個(gè)金屬體分別是它的不對(duì)稱振子天線的兩個(gè)極。射頻電位差即為共模驅(qū)動(dòng)源，它通過不對(duì)稱振子天線向空間輻射電磁能量。當(dāng)頻率達(dá)到MHz級(jí)時(shí)nH的小電感和pF級(jí)的小電容都將產(chǎn)生重要影響。兩個(gè)導(dǎo)體連接處的小電感能產(chǎn)生射頻電位差，例如圖2中的數(shù)字地和模擬地之間的連接線的小電感，圖3中機(jī)殼與印刷板之間連接線的小電感等都是產(chǎn)生共模驅(qū)動(dòng)源的根源。沒有直接連接點(diǎn)的金屬體也可能通過小電容變成天線的一部分，例如圖5中的散熱片與開關(guān)管是絕緣的，但可以通過它們之間的小電容在射頻頻率上連接起來，構(gòu)成共模天線的一部分。
共模天線的一個(gè)極必定是設(shè)備的外部連接線，另一個(gè)極可以是設(shè)備內(nèi)部印刷板的地線、電源面、機(jī)殼、散熱片、金屬支撐架等等。當(dāng)天線二個(gè)極的總長度大于λ／20后，天線的輻射才有可能有效。當(dāng)天線長度與驅(qū)動(dòng)源諧波的波長符合下式時(shí)天線發(fā)生諧振，輻射能量最大。
d 共模電流輻射的抑制方法
- 共模濾波
在設(shè)備的電源輸入端口接共模濾波器。電磁兼容使用的電源濾波器往往把共模和差模濾波裝在一起。濾波器金屬外殼和屏蔽機(jī)箱緊密搭接，搭接面積越大越好。在信號(hào)線輸入輸出端口串接共模濾波器，濾波器良好接地。如有可能最好直接采用帶濾波器的連接器，這種連接器的插座上每個(gè)引腳都帶有由鐵氧體磁珠和穿心電容組成的濾波器。 - 采用屏蔽
電纜、屏蔽連接器共模濾波器通常是低通性質(zhì)的，只能用在傳輸頻率較低的輸入輸出信號(hào)線上。如果要求傳輸信號(hào)的速率較高，邊緣較陡，則串接濾波器就可能把有用信號(hào)的高頻部分也濾掉，從而影響信號(hào)的正常傳輸。這時(shí)就只能采用屏蔽的方法，即采用屏蔽電纜和屏蔽連接器，并要求它們的屏蔽層和機(jī)箱的屏蔽層保持電連續(xù)性和一致性。具體要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外殼要有3600的完整搭接，不能出現(xiàn)"豬尾巴"現(xiàn)象。插頭的金屬外殼、插座金屬外殼以及機(jī)殼也應(yīng)有良好的搭接。 - 使用鐵氧體磁環(huán)
以上的濾波和屏蔽措施實(shí)質(zhì)上是把共模輻射源兩端的"天線"短路了。也可以把鐵氧體磁環(huán)套在整個(gè)連接線上。鐵氧體磁環(huán)在高頻時(shí)呈電阻性，所以能消耗高頻共模電流。共模電流在連接線上是有一定分布的，因此鐵氧體磁環(huán)應(yīng)放在電流較高的位置上，一般放在連接線的引出處。 - 改進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置
這是從共模電流輻射的源頭采取措施，包括印制電路板設(shè)計(jì)，各部件的電磁兼容設(shè)計(jì)，以及相互連接線的布置等等。其中印制電路板的設(shè)計(jì)最為重要，設(shè)計(jì)的步驟是首先要選取印制板類型，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布置地線、電源線、高速信號(hào)線，低速信號(hào)線。印制電路板設(shè)計(jì)應(yīng)遵循三個(gè)主要原則。1、無論是信號(hào)環(huán)路或供電環(huán)路，電流的環(huán)路面積越小越好，尤其不能出現(xiàn)環(huán)套環(huán)的重疊現(xiàn)象。2、不相容的元器件和信號(hào)線(數(shù)字與模擬、高速與低速、大電流與小電流、高電壓與低電壓等)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線。分布在不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)相互垂直。這樣可以減少相互之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合干擾。3、高速信號(hào)線應(yīng)考慮阻抗匹配問題，即信號(hào)線的負(fù)載應(yīng)與信號(hào)線的特性阻抗相等。阻抗不匹配將引起傳輸信號(hào)的反射，使數(shù)字波形產(chǎn)生振蕩，造成邏輯混亂。通常信號(hào)線的負(fù)載是芯片，基本穩(wěn)定。造成不匹配的原因主要是信號(hào)線走線過程中本身的特性阻抗的變化，例如走線的寬窄不一，走線拐彎，經(jīng)過過孔等。所以布線時(shí)應(yīng)采取措施，使得信號(hào)線全程走線的特性阻抗保持不變。
結(jié)束語
綜上所述，在設(shè)備輻射測(cè)試沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，應(yīng)先分析原因，確定是機(jī)箱泄漏，還是連接線共模電流輻射。如果是機(jī)箱泄漏，可用近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭找出泄漏點(diǎn)并加以改進(jìn)。如果是連接線共模電流輻射，可先在連接線上套鐵氧體磁環(huán)作試驗(yàn)。假如作用不明顯，則要進(jìn)一步調(diào)查共模電流產(chǎn)生的途徑，畫出等效電路，找出抑制對(duì)策，這項(xiàng)工作比較復(fù)雜并需要有一定的經(jīng)驗(yàn)。
