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EMI/EMC設(shè)計(jì)講座:傳導(dǎo)式EMI的測量技術(shù)(下)

2014/10/09

Lee

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「傳導(dǎo)式（conducted）EMI」是指部分的電磁（射頻）能量透過外部纜線（cable）、電源線、I/O互連界面，形成「傳導(dǎo)波（propagation wave）」被傳送出去。本文將說明射頻能量經(jīng)由電源線傳送時(shí)，所產(chǎn)生的「傳導(dǎo)式噪聲」對(duì)PCB的影響，以及如何測量「傳導(dǎo)式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制規(guī)定。

傳導(dǎo)式EMI的限制
　　
對(duì)EMI而言，濾波器是做何用途呢？表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制規(guī)定。此表中比較特殊的是，除了可用dBμV計(jì)量以外，也可以用mV來計(jì)量。這對(duì)那些討厭使用對(duì)數(shù)（logarithm）計(jì)算的設(shè)計(jì)者而言很便利。
　　
在對(duì)數(shù)的定義里：db=20log10[V1/V2] ，V1/V2是輸出入電壓的比值。所以，dBμV表示是以IμV為對(duì)數(shù)的比較基準(zhǔn)。下式是mV轉(zhuǎn)換成dBμV的公式：

dBμV)=20Хlog[mV/10-6]
　　
譬如：0.25mV可以透過公式，得出：20log10[0.25Х1,000/1] ≌48 dBμV。
　　
而dBμV轉(zhuǎn)換成mV的公式如下：
　　
(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3

表一：傳導(dǎo)式EMI的限制

　　
必須注意的是，F(xiàn)CC并沒有規(guī)定平均的限制值，只規(guī)定了「準(zhǔn)峰值（quasi-peak）」。雖然，F(xiàn)CC有認(rèn)可CISPR22的限制值。但是，F(xiàn)CC不允許兩者混用或并用。設(shè)計(jì)者必須擇一而從。不過，以目前的情況來看，F(xiàn)CC Part 15勢(shì)必會(huì)逐漸和CISPR 22完全一致的。

　　
表二是dBμV與mV的快速轉(zhuǎn)換對(duì)查表，我們可以利用上述的公式來轉(zhuǎn)換dBμV、mV；或利用表二查得。

　　表二：dBμV與mV的對(duì)查表
　

再觀察一下表一中的類別B，尤其是150 kHz至450 kHz，和450 kHz至500 kHz的區(qū)域。實(shí)際上，對(duì)CISPR而言，這是一個(gè)連續(xù)的區(qū)域，因?yàn)閐BμV對(duì)log(f)的限制線在150 kHz到500 kHz的區(qū)域內(nèi)是一條直線。在150 kHz至500 kHz之間，CISPR均限曲線（傳導(dǎo)式EMI）的任一點(diǎn)之dBμV值可由下式求出：
　　
(dBμVAVG)= -19.07Хlog(?MHZ)+40.28
　　
為了方便計(jì)算和記憶，上式可以改寫成：
　　
(dBμVAVG)= -20Хlog(?MHZ)+40
　　
在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的「準(zhǔn)峰值限制」正好比「平均限制」高10dB。所以，在150 kHz至500 kHz之間，CISPR準(zhǔn)峰值限制曲線（傳導(dǎo)式EMI的任一點(diǎn)之dBμV值可由下式求出：

）　　
(dBμVQP)= -19.07Хlog(?MHZ)+50.28
　　
同樣的，上式也可以改寫成：
　　
(dBμVQP)= -20Хlog(?MHZ)+50
　　
CISPR 22類別B在150 kHz至500 kHz之間的限制值，實(shí)際上是上述的化約式。就數(shù)學(xué)定義而言，AХlog(?MHZ)+c是一條直線（如果水平軸具有對(duì)數(shù)刻度），其斜率為A，當(dāng)頻率（f）為1MHz時(shí)，它通過c點(diǎn)。就CISPR 22類別B而言，雖然它的dBμV直線在500 kHz處被截?cái)啵撬臐u近線（asymptote）仍會(huì)通過40或50dBμV，這分別是「均限曲線」和「準(zhǔn)峰值限制曲線」的c點(diǎn)（亦即，頻率為1MHz時(shí)的dBμV值）。
　　
例如：當(dāng)頻率為300 kHz時(shí)，CISPR 22類別B的EMI限制值是多少呢？利用上述的公式，均限值等于：
　　
-19.07Хlog(0.3)+40.28=50.25dBμV
　　
因?yàn)闇?zhǔn)峰值限制比均限值多10 dB，所以它是60.25 dBμV。
　　
比較表一中的準(zhǔn)峰值限制，是否意味著當(dāng)超過450 kHz時(shí)，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比CISPR 22嚴(yán)格？首先，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)是以美國國內(nèi)的電源電壓為測量基準(zhǔn)；而CISPR則是使用更高的電源電壓來測量。所以這是「淮橘成枳」的問題，不能相提并論。此外FCC雖然沒有定義均限值，但是當(dāng)CISPR 22的準(zhǔn)峰值限制和均限值之差超過6 dB以上時(shí)，它放寬了限制（約13 dB）。因此，在實(shí)務(wù)上，符合CISPR標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品也會(huì)符合FCC的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
有人說：「頻率大約在5 MHz以下時(shí)，噪聲電流傾向于以差模為主；但在5 MHz以上時(shí)，噪聲電流傾向于以共模為主?！共贿^這種說法缺乏根據(jù)。當(dāng)頻率超過20 MHz時(shí)，主要的傳導(dǎo)式噪聲可能是來自于電感的感應(yīng)，尤其是來自于輸出纜線的輻射。本質(zhì)上這是共模。但對(duì)一個(gè)交換式轉(zhuǎn)換器而言，這并不是共模噪聲的主要來源。如表一所示，標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)式EMI限制之頻率測量范圍是從150 kHz至30 MHz。為何頻率范圍不再向上增加呢？這是因?yàn)榈竭_(dá)30 MHz以后，任何傳導(dǎo)式噪聲將會(huì)被主要的導(dǎo)線大幅地衰減，而且傳輸距離會(huì)變短。但纜線當(dāng)然還會(huì)繼續(xù)輻射，因此「輻射限制」的范圍實(shí)際上是從30MHz到1GHz。

結(jié)語
　　
來自電源電路的EMI是很難察覺的。因?yàn)楣こ處煻剂?xí)慣將電源供應(yīng)器想象成一個(gè)「干凈的」電源，殊不知，越是習(xí)以為常的組件，越可能是會(huì)發(fā)射EMI的「黑盒子」。