电子产品辐射发射的抑制

2015-03-13 10:04:26   来源:eechina   

关键字: 电磁兼容  辐射  抑制

一、 序言  

电子电气设备在正常工作时,同时向周围空间辐射电磁骚扰,可能影响其它设备的工作。为此很多国家标准都规定了对电磁发射的测量方法和限值,例如GB9254、GB4824、GBl3837等分别规定了信息技术设备、工科医设备、电子测量仪器、声音和电视广播接收机等设备的辐射发射限值。在辐射发射测量中很多设备的骚扰场强往往在某些频率段超过限值,因此制造商迫切需要了解超标的原因以及应采取的措施。通常设备的辐射发射可由两部分组成:一部分是设备内部的电磁能量通过机箱泄漏;另一部分是设备的连接线作为天线辐射电磁能量。以下将分别进行讨论。  

二、电子产品辐射的泄漏途径和抑制  

1、通过机箱的泄漏  

设备内的元器件、集成片、印刷电路板的走线、有信号电流经过的地方都可能向周围空间辐射电磁能量,频率越高就越容易产生电磁辐射。如果设备采用非屏蔽机箱,则这些电磁能量就直接传递到设备外部空间。如果设备采用金属机箱,或在塑料机箱内喷涂一层金属作为屏蔽层,则电磁能量可能会被限制在设备内部,限制的程度取决于机箱的屏蔽效能。薄薄的一层完整金属具有很高的屏蔽效能,但是如果上面有较大的孔或较长的缝隙,则屏蔽效能就会大大下降,产生电磁能量泄漏。根据电磁场理论,这些孔缝相当于一个二次发射天线,当这些孔缝长度等于半波长的整数倍时,漏泄能量最大。对于固定的孔缝长度,频率越高,泄漏越严重。一般要求孔缝长度应为:1<λ/20(商用设备,屏蔽效能20dB)或1<λ/50(军用设备,屏蔽效能28dB),λ为设备内可能辐射的最高频率的波长。如设备内工作信号是数字脉冲,或者由于开关瞬态操作产生脉冲噪声,则应该考虑的辐射发射最高频率为1/(π),其中是脉冲的上升时间,或者为10倍的时钟频率。  

判别设备的辐射骚扰是否主要由机箱泄漏引起,可把设备连接线拆除,然后再测量辐射骚扰场强。如果加和不加连接线对测量结果没有明显影响,说明机箱泄漏起主要作用。这时可用近场磁场探头(例如HP 11940A)沿孔缝移动,寻找泄漏点。探头接频谱分析仪,可观察不同频率的泄漏情况。如果在某个缝隙发现较大的泄漏场强,可临时在该处贴一条金属导电带,该金属带应与机箱的金属面有良好的导电搭接。如果辐射场强明显减小,则说明泄漏位置寻找正确,在今后的设计中要加以改进,使缝隙尺寸满足要求。例如添加导电衬垫、采用波导设计、缩短连接螺丝的间距等等。  

如果机箱必须是非金属的,则应该用近场探头探测设备内的元器件、走线等,找出辐射源,采取相应措施,例如元器件屏蔽、印刷板布线时尽量减小电流环路面积等。   

2、设备连接线的辐射  

在辐射发射测试中经常发现当设备加上I/O线、控制线等连接线以后,在有些频率段辐射场强就有很大提高,即使连接线终端没有加负载也是如此。这时连接线就变成了天线,向外发射电磁能量。以下对这种辐射的机理进行分析。  

2.1 差模电流辐射和共模电流辐射  

连接线上流过高频电流时才能向外发射电磁能量。电流的传输有两种方式:共模方式及差模方式。一对导线上如果流过差模电流,则两条线上的电流,大小相等,方向相反,一般有用信号都是差模电流。一对导线上如果流过共模电流,则两条线上的电流方向相同。骚扰电流在连接线上既可以差模方式出现,也可以共模方式出现。如果连接线终端没有加负载,连接线上就没有差模电流存在,只有共模电流,其产生的辐射称为共模电流辐射。如果连接线终端是有负载的,则可用电流钳来判断是否存在共模电流。电磁兼容使用的电流钳一般具有较宽的频带。把电流钳卡在导线对上,电流钳测得的信号连接到频谱仪上,频谱仪上显示的则是导线对上的共模电流。导线对上的差模电流在电流钳中产生的磁通互相抵消,所以不会有显示。 连接线作为天线发射电磁骚扰,主要是以共模电流辐射形式。因为传输有用信号的导线对常常是紧靠在一起的,而且经常使用双绞线,所以差模电流在周围空间产生的辐射场往往大小相等,方向相反,从而相互抵消。而导线对中两根导线上的共模电流产生的辐射场则相互迭加。如果在计算机常用的扁平馈线中抽取相邻的两根导线,线长1米,导线对上分别加以共模和差模电流,在离导线对3米处按GB9254规定测量骚扰场强。实验表明如果该处场强要达到B类设备的限值(30"230 MHz时为40 dBμV/m),则差模电流要求为20 mA,而共模电流只要8 μA,两者相差2500倍。由此可见,共模电流辐射的抑制是非常重要的。 

2.2共摸电流辐射的基本驱动模式

共模电流辐射实际上都是由差模源(有用信号源)驱动产生的,可大致分为两种基本驱动模式:电流驱动模式和电压驱动模式。  

1)电流驱动模式  

图1是电流驱动模式的示意图。图1(a)中UDM是差模电压源,设备内部有很多这样的源,例如各种数字信号电路、高频振荡源等等,ZL为回路负载,IDM为回路负载的差模电流,该电流流过AB两点间的回流地(例如印制板的地线),回到差模源。如AB间存在一定的电感LP,则产生压降为  

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这里UCM就是产生共模辐射的驱动源。要产生辐射,除了源以外还必须有天线。这里的天线有两部分组成,一部分是由A点向左看的地线部分,另一部分是由B点向右看的地线部分和外接电缆。其组成的辐射系统的等效电路如图1(b)所示,这实际上是一付不对称振子天线。流过天线的电流即为共模电流,可用下式表示  


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由于共模电流ICM是由差模电流IDM产生的,所以这种模式称电流驱动模式。以下举二例说明电流驱动产生的共模辐射。  

例1:在印制电路板上为了把数字部分和模拟部分隔离,常把地分割成数字地和模拟地。如果这两部分之间有信号联系,如图2所示,并且数字地和模拟地的连接部分AB比较细长,存在一定电感,则差模电流IDM将在AB连接线的电感上产生共模驱动电压源,从而引起共模辐射,天线一部分是数字地,另一部分是模拟地和外接地线。  

例2:印制电路板的地通过接地导线与机壳相连,如图3所示。印制板上有信号线与机壳贴近,于是差模源VDM通过分布电容C耦合到机壳上,引起差模电流,该电流通过机壳和接地线又回到印制板的差模源。如果接地线存在一定的电感L,则差模电流在L上产生电压降VCM,成为共模驱动电压,从而引起共模辐射。这时天线的一部分是外接地线,另一部分是机壳。这种辐射常发生在以下情况,例如设备内部的地址线、数据线等扁平电缆贴近机壳,分布电容较大,印制板和机壳之间的连接线细长或接触不良等等。   
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0313/article_11023.html
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