1. 測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)品 Coconut1首次 EMC 測(cè)試時(shí)，輻射、靜電、浪涌均失敗。本篇先討論輻射超標(biāo).

1.1?? 輻射超標(biāo) ?

50MHz 、100MHz 、130MHz 、200MHz ，4 個(gè)頻點(diǎn)明顯超標(biāo)，其中 130MHz 左右最明顯， 超出 19dB；后將電路板僅僅保留開(kāi)關(guān)電源部分， 150MHz 附近超標(biāo)嚴(yán)重，下圖為垂直位置的輻 射（因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中垂直位置整體結(jié)果較水平要差， 因此全文僅針對(duì)垂直位置的輻射結(jié)果進(jìn) 行闡述）。 ? ? ? ? ?

2. 輻射整改 ?

2.1 問(wèn)題定位 ?

2.1.1 從頻率上來(lái)看，輻射源不可能是射頻模塊以及后級(jí) LDO 電路， 縱覽整個(gè)電路系統(tǒng)各個(gè) 電路功能的工作頻率，只可能是 MCU 的 8MHz 晶振以及前級(jí)開(kāi)關(guān)電源2造成的； ?

2.1.2 在檢測(cè)機(jī)構(gòu)輻射測(cè)試超標(biāo)后，第一時(shí)間將射頻模塊、MCU 及其外圍（包括晶振） 全部 停止供電，仍然超標(biāo)，至此可以確認(rèn)是開(kāi)關(guān)電源導(dǎo)致的輻射問(wèn)題；

? 2.1.3回到實(shí)驗(yàn)室， 重點(diǎn)尋找輻射的來(lái)源，利用示波器的探頭可以快速掃描板上輻射嚴(yán)重的區(qū) 域，如下圖所示：

Figure 2- 1? 簡(jiǎn)易探測(cè)環(huán)原理 將鱷魚(yú)夾夾至探頭探針，便形成了一個(gè)探測(cè)環(huán)， 將探測(cè)環(huán)緩慢地在 PCB 板上方 1~2cm 附近移動(dòng)，如 果某處存在高頻干擾，則會(huì)在附近形成變化的磁力線分布，磁力線穿過(guò)探測(cè)環(huán)便形成了磁通， 變化的磁通將 會(huì)在環(huán)上形成感應(yīng)電壓，此時(shí)，將示波器設(shè)置為“余輝”模式，若某處輻射強(qiáng)烈，則會(huì)將波形抬高，利用這 種方法找出波形最高時(shí)對(duì)應(yīng)的探測(cè)位置。當(dāng)然，也可自行繞制一個(gè)多匝空心線圈以提高靈敏度。 ? ? ? ? ?

Figure 2-1 出自《High-Speed Digital Design》Measurement Techniques 章節(jié)的第 87 頁(yè)， 該章節(jié)本意是用于說(shuō)明為什么測(cè)量電源紋波時(shí)不能使用鱷魚(yú)夾，而在本案例中， 反其道而行之， 故意讓探頭收集更多的噪聲以更快發(fā)現(xiàn)干擾源。 ? ? ? ?

? 通過(guò)這種簡(jiǎn)單的辦法， 很快發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源芯片上方的輻射最為強(qiáng)烈， 與其緊挨的器件是一顆 肖特基二極管， 即續(xù)流二極管。由于 MOS 管集成在開(kāi)關(guān)電源芯片內(nèi)部，無(wú)法測(cè)量到 MOS 管的 開(kāi)關(guān)波形，因此可以測(cè)量續(xù)流二極管兩端的電壓波形：

Figure 2-3 紅圈內(nèi)的振鈴明顯有“過(guò)沖”現(xiàn)象， 將這部分波形展開(kāi)，發(fā)現(xiàn)其振蕩頻率恰好為 122MHz，如Figure 2-4 所示， 這與 152MHz 超標(biāo)頻點(diǎn)非常接近！進(jìn)一步分析可以知道，這個(gè)振鈴是由于二極管的反向恢復(fù)引起的， 要想消除這個(gè)電壓振鈴， 最簡(jiǎn)單的辦法是在 D2 兩端并聯(lián) RC 吸收電路。

2.2 RC 參數(shù)選擇

經(jīng)過(guò)不斷嘗試，選擇了 2200pF+10Ω 的組合（實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電容越大，電壓尖峰越低，但是 Figure 2-7 中綠色箭頭標(biāo)示的電壓下降斜坡也會(huì)越平緩， 同時(shí)緊跟其后的諧振波形周期數(shù)也會(huì)越 少，這是因?yàn)?LC 諧振頻率 f 反比于 C 值，至于這個(gè)諧振則屬于輕載時(shí)的正常現(xiàn)象）。這里要特 別注意電阻 R? 的功率選取， 若電阻額定功率太小則其會(huì)被燒毀， 最簡(jiǎn)單的辦法是先用 1206? 的 10Ω 電阻應(yīng)用在電路中，隨后用示波器測(cè)量 R 兩端的電壓波形，調(diào)出波形的 RMS 電壓，用這個(gè) 電壓 VRMS 計(jì)算出電阻 R 的功率P=V2RMS/R，在本案例中， VRMS 約為 1V，則電阻功率為 0.1W ， 穩(wěn)妥起見(jiàn)，降額 50% ，則至少需要 0.2W，因此最終選擇了 1210 封裝的電阻。 ? ? ? ?

? Figure 2-5、Figure 2-6 分別示出了重載和輕載時(shí)的續(xù)流二極管電壓波形，不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò) 增加 RC 吸收電路， 已經(jīng)完全解決了電壓振鈴問(wèn)題， Figure 2-7 即為上升尖峰展開(kāi)波形， 可以發(fā) 現(xiàn)已經(jīng)沒(méi)有振蕩發(fā)生。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2.3?? 解決之道

基于2.2 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 并不能認(rèn)為輻射超標(biāo)問(wèn)題已經(jīng)解決， 影響輻射測(cè)試結(jié)果的因素很多， 因此整改手段不能僅有一個(gè)，在前往檢測(cè)機(jī)構(gòu)3之前，必須有多種方案可供選擇才不至于無(wú)功而 返。 ? ? ? ? ?

2.3.1? RC 吸收 顯然， RC 吸收電路可以在源頭上遏制輻射的產(chǎn)生， 對(duì)測(cè)試結(jié)果有積極的作用。 ? ? ? ? ?

2.3.2 磁環(huán)

將磁環(huán)套于電源線上， 對(duì)比前后的測(cè)試結(jié)果可以快速驗(yàn)證此輻射是否屬于共模輻射， 這種方 法是在共模電壓/電流的傳播路徑上制造障礙以及消耗能量。 ? ? ? ? ?

2.3.3 共模電感

最初設(shè)計(jì)電源輸入級(jí)時(shí)， 并未加入共模電感， 一是產(chǎn)品沒(méi)有 EMC 認(rèn)證方面的需求， 二是為 了節(jié)省成本，然而后期市場(chǎng)需求發(fā)生了變化，因此不得不解決輻射超標(biāo)的問(wèn)題，但此時(shí) PCB 已無(wú)多余空間用于安裝共模電感，怎么辦？ ? ? 在不確定共模電感究竟能帶來(lái)多大改善的情況下， 貿(mào)然改板斷然是不合適的。為此， 自制了 一個(gè) EMI 濾波器，如Figure 2-8 所示，為了使連接可靠，特意加上了一個(gè) DC 圓頭用于與產(chǎn)品 電源接口對(duì)接，最后將電源線通過(guò)鱷魚(yú)夾夾至 TP5 和 TP6 即可。

? ? ? ? ? 2.3.4 差模電感 外接一個(gè)由差模電感組成的 EMI 濾波器，此濾波器主要用于減小差模輻射。 和 Figure 2-8 類(lèi)似，差模電感濾波器的原理圖和實(shí)物與共模電感相差無(wú)幾，唯一的區(qū)別是 L2 使用了兩個(gè)分立的電感代替。 ?

2.4 一試究竟 ?

方案擬定好后，就該準(zhǔn)備前往 EMC 檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試了。 出發(fā)前，先分析 4 個(gè)解決方案的易操作程度：方案 2 最容易驗(yàn)證， 只要將磁環(huán)往電源線上一 扣就好；方案 3、4 可通過(guò)自制一個(gè)濾波器串接在電源接口處， 也好實(shí)現(xiàn)；但方案 1 需要拆裝產(chǎn) 品并焊接電阻電容稍顯麻煩，因此，測(cè)試驗(yàn)證順序應(yīng)當(dāng)依次是方案 2--3/4--1。 ? ? ? 2.4.1? 獲得原始數(shù)據(jù)

? ? ? ? ? 2.4.2? 串入磁環(huán)

?

123MHz 對(duì)應(yīng)的 1/4 波長(zhǎng)為 0.6m，與電源線電纜長(zhǎng)度非常接近，極有可能屬于共模干擾通 過(guò)線纜輻射出去的（共模電壓驅(qū)動(dòng)的天線），對(duì)付共模輻射首先想到的是電源線上套磁環(huán)，因?yàn)?簡(jiǎn)單易行。

為了增加效果， 特意將電源線繞磁環(huán)一圈測(cè)試， 對(duì)比Figure 2-9（原始數(shù)據(jù)） 和Figure 2-10 發(fā)現(xiàn)，增加磁環(huán)之后垂直方向的輻射超標(biāo)改善非常明顯，123MHz 超標(biāo)頻點(diǎn)已被消滅，僅剩下 228MHz 附近超標(biāo) 0.9dB！至此可以確定，該輻射主要是共模輻射。 既然是共模輻射，采用共模電感應(yīng)能取得同樣的效果， 之所以考慮共模電感， 一是出于產(chǎn)品 外觀考慮，不允許串接一個(gè)體積太大的磁環(huán)；二是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中使用的磁環(huán)型號(hào)未知（某寶淘來(lái)的， 據(jù)說(shuō)是 TDK 的)。 ? ? ? ? ?

2.4.3? 共模電感

將磁環(huán)拆下后，接入事先準(zhǔn)備好的 EMI 濾波器，上電測(cè)試——這里需要指出，實(shí)際上共模 電感濾波器準(zhǔn)備了兩套，唯一不同的是板上共模電感的型號(hào)， 盡管它們同屬于 TDK 的 ACM4520 系列，但頻率-阻抗曲線稍有不同，ACM4520-231-2P-T000 和ACM4520-421-2P-T000 的頻率 -阻抗曲線如Figure 2-11 所示。

在低于 300MHz 頻率時(shí)， 421 的整體阻抗要比 231 高， 而要整改的頻點(diǎn)低于 300MHz ，因 此可以大膽地猜想：帶有 421 的濾波器的產(chǎn)品輻射水平應(yīng)比 231 要略低。 而實(shí)際情況和猜想一致，如Figure 2-12 和Figure 2-13，紅色波形代表 231 濾波器， 黑色 波形代表 421 濾波器，通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，在 100M~300MHz 區(qū)間內(nèi)， 421 的輻射水平整體比 231 要低， 同時(shí)即便是采用 231 余量也很充足.特意讓 EMC 檢測(cè)機(jī)構(gòu)的員工幫我把兩個(gè)波形合成到一張圖里便于對(duì)比。 ?

2.4.4 RC 的影響

在驗(yàn)證 RC 吸收方案之前， 已將上一步驟中的 EMI 濾波器撤掉。 前面提到， 電容最終選擇了 2200pF，電容太大的影響已經(jīng)闡明， 那么電容偏小又會(huì)對(duì)輻射 測(cè)試造成何種影響？ 1.? R不變，C 取值 1000pF

對(duì)比Figure 2-15 和原始數(shù)據(jù)Figure 2-9 可以發(fā)現(xiàn)，一方面， 單純使用 RC 吸收電路（不加 磁環(huán)、不加共模電感） 改善也很明顯， 只是存在余量不足的問(wèn)題；另一方面， 實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果表明， 2200pF 是比較合適的，為此將電容改為 2200pF，再次測(cè)試。 2. R不變，C改為2200pF

對(duì)比Figure 2-15 和Figure 2-16 可知，RC 吸收電路中， 電容也有一個(gè)最佳取值，其大小對(duì)輻射測(cè)試結(jié)果影響很大。 ? ? ? ? ?

2.5?? 方案合并

將 EMI 濾波器（選擇了231，是因?yàn)轭~定直流電流相比421 更大）和 RC 電路（10Ω+2200pF）合并到產(chǎn)品上，再行測(cè)試，堪稱(chēng)完美！至此，輻射整改完成。

2.6?? 原理探究

2.6.1? 右手螺旋定則

右手定則可用于快速判斷直導(dǎo)線和螺線管的磁力線方向。 1.對(duì)于螺線管而言（圖右），讓 4 個(gè)手指彎曲的方 向與電流方向一致， 伸直大拇指，則大拇指的? 方向即為磁力線（磁場(chǎng)）方向； 2.對(duì)于通電直導(dǎo)線而言， 讓大拇指指向電流方向，則其余 4 個(gè)手指彎曲的方向即為磁場(chǎng)方 向，如Figure 2-18 所示，直導(dǎo)線的磁力線分布 是以導(dǎo)線為軸線的無(wú)數(shù)個(gè)同心圓組成，越靠近? 軸心，磁力線越密集。由于使用的介質(zhì)是導(dǎo)磁? 性很差的空氣，因此磁力線雜散分布在一個(gè)非? 常大的空間范圍內(nèi)，感應(yīng)磁場(chǎng) B 也很小。 ? ? ? ? ??? ? ? ? ? 2.6.2? 磁環(huán)原理 將磁環(huán)扣到電源線上的形態(tài)如Figure 2-20 所示，產(chǎn)品工作時(shí)， 將會(huì)有兩種形式的電流存在：差模電流和共模電流。ID 是差模電流， 在兩根線上大小 相同但方向相反；IC 是共模電流，在兩根線上大小、方向均相同. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? 這兩種電流同時(shí)存在于整段導(dǎo)線中， 但為了便于說(shuō)明問(wèn)題， 將其分別獨(dú)立放置在左側(cè)（共模 電流） 和右側(cè)（差模電流）。若將磁環(huán)從中間剖開(kāi)， 則共模電流（左側(cè)） 均是垂直紙面向里+ ；而 差模電流（右側(cè)）的一支垂直紙面向里+ ，另一支垂直紙面向外 。

? 2.6.1 對(duì)共模電流的影響

現(xiàn)在來(lái)研究左側(cè)的磁場(chǎng)分布情況。分別對(duì)兩根導(dǎo)線使用右手螺旋定則可以發(fā)現(xiàn)，兩根導(dǎo)線的 磁場(chǎng)均為順時(shí)針?lè)较颍创艌?chǎng)是互相增強(qiáng)的。與Figure 2-18 稍有不同，由于鐵氧體磁環(huán)的導(dǎo)磁 率很高，為磁路提供了低阻的通路（可類(lèi)比電流的特性），因此大部分磁力線都被限制在磁環(huán)內(nèi) 部，只有極少的磁力線“逃逸”，相比單純把兩根導(dǎo)線放在空氣中的情況，磁環(huán)為兩根導(dǎo)線提供 了磁場(chǎng)強(qiáng)耦合并產(chǎn)生了比原來(lái)大得多的感應(yīng)磁場(chǎng) B。簡(jiǎn)言之，一方面， 磁環(huán)使得兩個(gè)磁場(chǎng)互相疊 加；另一方面限制了磁力線的分布范圍，后者可以減小輻射產(chǎn)生，那磁場(chǎng)疊加有什么作用？ 對(duì)比電源線增加磁環(huán)前后的情況，對(duì)其中一根導(dǎo)線而言，變化同樣的電流 Δi ，感應(yīng)磁場(chǎng)變 化 ΔB 比原來(lái)更大了，在截面積 S 和匝數(shù) N 不變的情況下，電感 L 也會(huì)比之前大。 ? ? ? ? ?

電感的一個(gè)重要特性便是“減緩電流變化 Δi/Δt ”，而輻射恰恰是過(guò)大的 Δi/Δt 造成的，因此 磁環(huán)抑制共模輻射干擾的原理便在此。輻射能量不會(huì)憑空消失， 變化共模干擾電流將會(huì)在磁環(huán)內(nèi) 部激發(fā)出變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又會(huì)激發(fā)出感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓又會(huì)產(chǎn)生渦流， 渦流會(huì)最終被 磁環(huán)內(nèi)部的等效電阻消耗，以熱能形式耗散。 ? ? ? ? ?

2.6.2 對(duì)差模電流的影響

同樣的分析可以應(yīng)用在差模電流的情況， 唯一不同的是， 兩根導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布是相反的， 磁 場(chǎng)互相抵消， 由于導(dǎo)線中的電流大小相等， 產(chǎn)生的磁場(chǎng) H 大小相同， 在互相靠近的情況下， 在磁 環(huán)內(nèi)的兩個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)大小相同、方向相反， 因此合成之后的感應(yīng)磁場(chǎng) B 幾乎為 0，對(duì)任意一根導(dǎo) 線而言，相當(dāng)于是一段“無(wú)感導(dǎo)線”，對(duì)差模電流不會(huì)產(chǎn)生任何抑制作用。 ? ? ? ? ?

2.6.3? 共模電感原理

有了2.6.3 的分析基礎(chǔ)，再結(jié)合右手螺旋定則，我們可以很容易地對(duì)Figure 2-21 的兩種情 況作出結(jié)論： 理論上，共模電感對(duì)共模電流表現(xiàn)為感性，而對(duì)差模電流則表現(xiàn)出“無(wú)感”。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

? ? ? ? ? 然而實(shí)際和理論總有些許出入， 因?yàn)楣材ｋ姼?存在一定的漏感當(dāng)兩支差模電流在磁環(huán)中激發(fā)出兩個(gè)方向相? 反大小相等地感應(yīng)磁場(chǎng)時(shí)， 理想情況下應(yīng)該全部集? 中在磁環(huán)中并互相抵消， 但事與愿違：總有一小部? 分磁力線從磁環(huán)中逃散，經(jīng)過(guò)空氣形成閉環(huán)（紅色? 橢圓），這部分磁力線（磁通） 無(wú)法互相抵消，這將? 產(chǎn)生一個(gè)串聯(lián)的“小電感”，這樣一來(lái)，共模電感? 將對(duì)差模電流也有一定的阻礙作用，相當(dāng)于在共模? 電感的兩個(gè)繞組中各串入了一個(gè)小電感 Lk’和 Lk’’， 它們彼此獨(dú)立， 并且不存在共模電感兩個(gè)繞組之間? 的耦合關(guān)系， 又因?yàn)樗鼈兪谴?lián)在差模電流回路中， 因此等效于單個(gè) Lk 電感（Lk’ +Lk’’），這個(gè)漏感的存在并非是壞事， 因?yàn)槠鋵?duì)于差模電流干擾是有抑制效果的， 也正因?yàn)槿绱耍?很多產(chǎn)品的電源輸入 級(jí)特意省掉了差模電感，其原因就在于共模電感的漏感可以充當(dāng)差模電感。

2.6.4? 匝數(shù)的影響

眾所周知， 共模電感的匝數(shù)越多， 感量越大， 按道 理來(lái)說(shuō)對(duì)共模干擾電流的抑制也會(huì)越強(qiáng)烈，對(duì)抗輻射 也越有利，然而事實(shí)真的如此嗎？ 當(dāng)共模電感匝數(shù)過(guò)多時(shí)，匝間電容無(wú)法被忽略并 且開(kāi)始發(fā)揮作用。依據(jù)平行板電容公式可以定性分析 問(wèn)題：對(duì)于同一個(gè)鐵氧體磁環(huán)， 感量越大， 繞制的匝數(shù) 也會(huì)越多，匝與匝間距 d 也會(huì)越小，這將導(dǎo)致匝間電 容增大。 ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? 如Figure 2-22 所示，對(duì)于第 1 匝而言，其與第 2 匝之間存在一個(gè)匝間電容電容 C12 ，不僅 如此， 其與第 3 匝、第 4 匝之間還存在 C13 和 C14 ，這些電容通過(guò)各種途徑并聯(lián)在一起， 這還只 是分析了其中一匝， 若將其他所有匝間電容疊加起來(lái)， 總的等效電容會(huì)相當(dāng)可觀， 于是， 會(huì)有一 部分共模干擾電流流經(jīng)電容而不受共模電感的抑制作用而對(duì)外輻射導(dǎo)致共模電感失效（紅色電流 路徑），因此在很多場(chǎng)合，需要感量很大的共模電感但又不得不考慮匝間電容的場(chǎng)合，會(huì)使用兩 個(gè)或以上的共模電感串聯(lián)使用形成兩級(jí)或多級(jí)濾波。 ? ? ? ? ?

2.6.5? 工字電感 VS 屏蔽電感

既然已經(jīng)說(shuō)到了磁力線分布，順帶說(shuō)一下工字電感與屏蔽電感的不同之處

利用右手螺旋定則可以很方便地判斷磁場(chǎng)方向， 而分析兩種器件的物理結(jié)構(gòu)可以很容易畫(huà)它 們的磁力線分布。 ? ? ? ?

? 屏蔽電感等效于一個(gè)套上鐵氧體外殼的工字電感， 其與工字電感的磁路不同， 它的鐵氧體外 殼極大地限制了磁力線的分布范圍，同樣條件下干擾和輻射要比工字電感小得多。 工字電感的磁路只能經(jīng)由空氣形成閉合的磁力線， 磁力線將在周?chē)艽笠徊糠挚臻g范圍分布， 容易導(dǎo)致干擾和輻射問(wèn)題。 ? ? ? ? ?

工字電感之所以沒(méi)被淘汰，其一是因?yàn)閮r(jià)格低廉，再者因?yàn)榇怕飞系臍庀斗浅ｉL(zhǎng)（空氣）， 即使流過(guò)大電流也不容易飽和， 因此工字電感往往感量可以做得很大， 而屏蔽電感感量一般很少 上 mH 級(jí)別， 又因?yàn)楸容^封閉， 散熱條件不及工字電感， 綜合看來(lái)， 它們一時(shí)間也難分高下， 具 體使用誰(shuí)，完全取決于工程師的取舍。 ? ? ? ? ? ? ?

編輯：黃飛

?