在RE测试中,主要的辐射是共模电流产⽣的辐射,共模驱动源在有天线的条件下,⼏微安的共模电流就会产⽣⼏⼗dB的辐射,⼀般都是由电缆辐射出去。测试中,我们也经常发现,RE实验若是不通过,CE实验⼀般也较难通过,其实共模电流不仅会导致RE问题,也会导致CE 问题。当共模电流频率在150KHz-30MHz范围内,就会导致传导骚扰问题,共模电流频率在30MHz-1GHz时,就会导致辐射骚扰问题。同样差模电流,也会产⽣辐射发射和传导⼲扰问题,在辐射发射实验中差模电流的产⽣的辐射较⼩,但在传导骚扰实验中,差模电流与共模电流产⽣的⼲扰在数量级上是同等的。 1. 传导骚扰测试的⽬的
测试产品从电源端⼝通过电缆向对其他电源⽹络设备的骚扰。
2. 传导骚扰测试的配置图
传导骚扰测试包括信号线的传导测试和电源线的传导测试。本⽂讲述电源线上的传导测试,下图是汽车电⼦产品传导骚扰布局的侧视图和顶视图。
在传导骚扰测试中,测试设备DUT通过⼈⼯⽹络LISN接到供电电源上,测电源正极时,DUT电源正极与接收机接⼊⼀个⼈⼯⽹络,电源负极与50Ω终端电阻接⼊⼀个⼈⼯⽹络,负载线接⼊负载盒,在汽车电⼦产品中,负载盒通常是由⽔泥电阻模拟的喇叭负载,其中LISN的作⽤如下:
1. 隔离待测试的设备EUT和交流输⼊电源,滤除由输⼊电源线引⼊的噪声及⼲扰。
2)EUT产⽣的⼲扰噪声依次通过LISN内部的⾼通滤波器和50 Ω电阻,在50 Ω电阻上得到相应的信号值送到接收机进⾏分析。LISN
的内部框图如下:
3. 传导骚扰测试的本质
传导骚扰的测试实质就是测试⼲扰电流流过50Ω阻抗(⼈⼯⽹络内部对地的1KΩ与接收机输⼊阻抗50Ω并联所得)所产⽣的压降。其中流过50Ω阻抗的电流有共模电流和差模电流,差模电流从DUT的
⼀端流出,另⼀端流回,⼤⼩相等,⽅向相反。共模电流是从DUT的电源正负极同向流出,流⼊⼤地,⼤⼩相等,⽅向相同。⼲扰电流流⼊⼈⼯⽹络的原理图如下:
4. 电源端⼝的传导骚扰
在汽车电⼦产品中,第⼀级电源通常是由DCDC构成,DCDC开关电源也是最常见的噪声源,DCDC电源在开关过程中会产⽣电压和电流的变化,包含了较快的di/dt和dv/dt噪声分量, 电源噪声包含了差模噪声和共模噪声,其中,差模噪声主要是由于开关切换过程中的电流变化di/dt产⽣,共模噪声是由电压变化du/dt产⽣。DCDC⼯作时,开关管的电压和电流波形如下,从下图可以看出共模噪声要⽐差模噪声⼤,所以我们主要分析共模噪声。
从传导路径来说开关节点产⽣的差模⼲扰通过输⼊电容滤波后会直接传到电源的输⼊端,经过LISN中的两个电阻构成差模电流回路,共模⼲扰通过开关节点对地的耦合再通过LISN端检测到。差模的功率电流的回路除了产⽣传导⼲扰也会产⽣辐射⼲扰,共模⼲扰也会产⽣部分辐射⼲扰。因此在设计电路时减⼩功率开关的⼲扰电流,减⼩差模电流的回路⾯积,减⼩开关管的⼯作频率对传导和辐射都有很⼤的帮助。
施密特触发器芯片
整改对策:
1.优化DCDClayout,减⼩⾼频电流回路⾯积;
2.电源输出端⼝增加LC滤波电路,减⼩差模电流;
3.增加屏蔽罩减⼩开关节点与⼤地之间的耦合电容;
4.LISN中的50Ω阻抗也会在产品辐射出来的磁场中感应出共模电流,必要时通过布局减⼩辐射。
5. 信号端⼝的传导骚扰
信号线上的导致传导骚扰的共模电流与导致辐射发射的共模电流产⽣机制⼀致,只是频段不同。
在辐射发射测试中,经常发现当设备机上控制线,I/O等线缆之后,有些频率的辐射场强就有很⼤的提⾼,即使连接线终端不加负载也是⼀样,这是的连接线就变成了天线,再加载了共模驱动源的条件下会向外辐射电磁能量。共模电流的产⽣根据驱动模式可以分为三种基本驱动模式:电流驱动模式,电压驱动模式,磁耦合驱动模式。
1)电流驱动模式
差模电流(有⽤信号的电流)信号传送信号时的回流电流产⽣的压降驱动产⽣的共模电流叫电流驱动模式。电流驱动模式的辐射原理⽰意图如下:
UDM是产品内部差模电压源(如各种数字信号电路,⾼频震荡源等),ZL是回路负载,IDM为回路负载的差模电流,Z为AB两点之间的阻抗(⼊地平⾯不完整,AB间⽤连接器互联等引起的寄⽣电感Lp),差模电流IDM通过回流地回到差模源,则在AB间阻抗Z上产⽣的压降为:UCM=IDM(jωLp)
UCM就是共模驱动源,有可以理解为地噪声。外接信号线或电源线的地线,接在带有共模驱动源的地平⾯上,就会产⽣传导骚扰和辐射骚扰。辐射的等效图如下:
这实际上是⼀副不对称振⼦天线,流过天线的电流为:
ICM= jCaωUCM=jCaω* IDM(jωLp)=-ω2LpCa IDM
ω=2πf
式中,ICM为电缆中的共模电流;
UCM为共模驱动电压;
Ca为电缆与参考⼤地之间的寄⽣电容;
Lp为地回流路径中的寄⽣电感;
IDM为有⽤信号电流⼤⼩;
f为电流信号频率⼤⼩;
整改对策:
1.在不影响信号完整性的条件⼩,增加终端电阻限值信号端差模电流⼤⼩。
2.设计时尽量采⽤低频设计,如减⼩开关电源的开关频率。
3.避免开关电源⼯作在CCM模式,产⽣不必要的电压震荡,导致过多的辐射和传导。
4.优化地平⾯设计。
5.优化线缆接⼝设计,增加滤波电容,共模电感等。
2)电压驱动模式
⼯作差模电压源(有⽤信号电压源)通过寄⽣电容直接驱动产⽣的共模电流就是电压驱动模式,寄⽣电容分为两种⼀种是电压源到线缆的寄⽣电容,⼀种是电压源到⾦属外壳的寄⽣电容,电压驱动模式辐射原理⽰意图如下:
全指向性麦克风
压铁饼
差模电压源UDM与线缆或⾦属外壳之间的寄⽣电容形成寄⽣回路,回路中的共模电流通过电缆产⽣共模辐射,共模电流为ICM=CωUDM,式中C为PCB中印制线与⾦属外壳或电缆之间的寄⽣电容。
案例分析:
共享资料
前⾯讲的开关电源的共模电流就是这种电压驱动模式形成的,开关节点上的开关电压源与⼤地之间的寄⽣电容形成寄⽣回路,回路中的共模电流流过LISN,在50Ω电阻上产⽣的压降就是接收机端接收到的⼲扰信号。印制线与参考地平⾯之间的寄⽣电容,可以⽤下图估算:
图中,W为印制线的宽度,H为印制线到地的距离,印制线与参考接地平⾯之间⽆其他导电介质(如PCB底层印制线与参考地平⾯之间),曲线的横坐标为H/W的⽐值,并且H、W是同⼀单位,纵坐标为每厘⽶的电容值。
家居智能系统整改对策:
natr-2411.降频设计
2.避免过多的信号振铃
3.增加⾦属屏蔽,减⼩耦合电容。
4.优化线缆接⼝设计,增加滤波电容,共模电感等。
3)磁耦合驱动模式
⼯作差模信号(有⽤信号)回路产⽣的磁场与电缆及⾦属外壳或印制板地等组成的寄⽣回路产⽣磁耦合时产⽣的共模电流就是磁耦合驱动模式。磁耦合驱动模式产⽣共模电流的辐射原理图如下:
差模⼯作信号在⼩型回路H中流动时,电缆,⾦属外壳,印制板的地及寄⽣电容组成的⼤回路S耦合到了⼩回路H中的信号,使电缆中带有共模电流信号,从⽽产⽣共模辐射或传导。
整改对策:
1.减⼩⾼频电流回路⾯积。
2.优化线缆接⼝设计,增加滤波电容,共模电感等。
6.总结