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一、輻射發(fā)射測試實質(zhì)
輻射發(fā)射測試實質(zhì)上就是測試產(chǎn)品中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號，第一種是等效天線信號環(huán)路，環(huán)路是產(chǎn)生的輻射等效天線，這種輻射產(chǎn)生的源頭是環(huán)路中流動著的電流信號（這種電流信號通常為正常工作信號，它是一種差模信號，如時鐘信號及其諧波），如圖1所示。
圖1 環(huán)路成為等效輻射天線
如果環(huán)路面積為S的環(huán)路中流動著電流強度為I、頻率為F的信號，那么，在自由空間中，距環(huán)路D處所產(chǎn)生的輻射強度為：
式中，E 為電場強度，單位為 μV／m；S 為環(huán)路面積，單位為cm2；I 為電流強度，單位為A；F為信號頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m。電子產(chǎn)品中任何信號的傳遞都存在環(huán)路，如果信號是交變的，那么信號所在的環(huán)路都會產(chǎn)生輻射，當產(chǎn)品中信號的電流大小、頻率確定后，信號環(huán)路產(chǎn)生的輻射強度與環(huán)路面積有關(guān)，因此，控制信號環(huán)路的面積是控制EMC問題的一個重要的課題。
產(chǎn)品中產(chǎn)生無意輻射的另一種等效天線模型是 單極天線（如圖2（a）所示），或?qū)ΨQ偶極子天線（如圖2（b）所示），這些被等效成單極天線或?qū)ΨQ偶極子天線的導(dǎo)體通常是產(chǎn)品中的電纜或其他尺寸較長的導(dǎo)體。這種輻射產(chǎn)生的源頭是電纜或其他尺寸較長的導(dǎo)體中（等效天線）流動著的共模電流信號。它通常不是電纜或長尺寸導(dǎo)體中的有用工作信號，而是一種寄生的“無用”信號，研究這種產(chǎn)生共模輻射的共模電流大小是研究輻射發(fā)射問題的重點。
圖2 單極天線和偶極子天線輻射模型
如圖2所示，如果在天線上流動著電流強度為I、頻率為F的信號，那么，在距天線D處所產(chǎn)生的輻射強度為：當F≥30 MHz，D≥1 m并且L＜λ／2時，
當L≥λ／2時，
上述式中，E為電場強度，單位為μV／m；I為電流強度，單位為μA；F為信號頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m；L為電纜長度，單位為m。在電子產(chǎn)品中，除了產(chǎn)品功能電路原理圖所表述的信息外，還存在非常多未知的信息，如信號線與信號線之間的寄生電容、寄生互感，信號線與參考地之間的寄生電容，信號線的引線電感，等等。這些參數(shù)都是頻率相關(guān)參數(shù)，而且值都很小，在直流或低頻情況下，通常被設(shè)計者忽略，但是在輻射發(fā)射所考慮的高頻范圍內(nèi)，這些參數(shù)將會產(chǎn)生越來越重要的影響。
也是這些原因使得產(chǎn)品中的這些等效天線（電纜或長尺寸導(dǎo)體）中寄生著一種非期望的共模電流，它的電流強度很?。ㄍǔＴ趍A級以下或μA級），但是它是產(chǎn)生產(chǎn)品輻射發(fā)射的主要原因。通過大量的實踐證明大部分產(chǎn)品中的輻射發(fā)射問題產(chǎn)生于產(chǎn)品中這種等效的單極天線或偶極子天線，特別是隨著多層PCB技術(shù)應(yīng)用，信號的環(huán)路面積被控制得越來越小，正常工作信號環(huán)路所產(chǎn)生的輻射越來越有限。對于軍標和汽車電子相關(guān)產(chǎn)品的輻射發(fā)射測試，標準會要求在試驗臺上鋪設(shè)參考接地板，并把EUT包括EUT上的電纜（等效輻射發(fā)射天線）放置在離該參考接地板5 cm高的絕緣支架上，這塊參考接地板將對輻射發(fā)射結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。在理論上，當EUT中成為輻射發(fā)射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度時（如圖3所示）。
圖3 置于參考接地板上的電纜輻射
發(fā)射被參考接地板衰減當h≤λ／10時，
當h＞λ／10時，
中，h為輻射發(fā)射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度，單位為（m）；E0 為輻射發(fā)射等效天線的電纜在自由空間中的輻射強度，單位為（V／m）；E（h）為輻射發(fā)射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度時向空間輻射強度，單位為（V／m）；λ為波長，單位為（m）。
根據(jù)單極天線和偶極子天線輻射模型的輻射原理，既然形成單極天線和偶極子天線輻射的原因是天線上的共模電流（對應(yīng)到產(chǎn)品中就是電纜上或長尺寸導(dǎo)體上的共模電流），那么在軍標和汽車電子相關(guān)標準中規(guī)定的輻射發(fā)射測試條件下，某些被測產(chǎn)品中等效天線上同樣大小的共模電流，在同等測試距離的情況下，將比其他標準規(guī)定的輻射發(fā)射測試條件下所測得的輻射發(fā)射更低。
CISPR25標準中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系見表1。表1 CISPR25標準中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系。
而EN55022或CISPR22標準中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系見表2。
表2 EN55022或CISPR22標準中規(guī)定的輻射發(fā)射限值和產(chǎn)品中等效單極天線和偶極子天線產(chǎn)生輻射發(fā)射所需要的共模電流大小的關(guān)系。
二、傳導(dǎo)騷擾測試實質(zhì)
LISN是電源端口傳導(dǎo)騷擾測試的關(guān)鍵設(shè)備，從圖4中可以看出，接收機接于LISN中的1 kΩ的電阻與地之間，當接收機與LISN進行互連后，接收機信號輸入口本身的阻抗50 Ω與LISN中的1 kΩ電阻處于并聯(lián)狀態(tài)，其等效阻抗接近于50 Ω，由此也可以看出，電源端口傳導(dǎo)騷擾的實質(zhì)就是測試50 Ω 阻抗（這個阻抗由LISN中的1 kΩ的電阻與接收機的輸入阻抗并聯(lián)而成）兩端的電壓。
當阻抗50 Ω一定時，電源端口傳導(dǎo)騷擾的實質(zhì)也可以理解為流過這個50 Ω阻抗的電流的大小。在實際產(chǎn)品中有兩種電流會流過這個50 Ω阻抗，一種是圖4 中的IDM，另一種是圖4中的 ICM。無論是IDM還是ICM，都會在接收機中顯示出測試值，而接收機本身無法判斷是哪種電流引起的傳導(dǎo)騷擾。這需要設(shè)計者去控制與分析?？刂飘a(chǎn)品中的騷擾電流不流過LISN和接收機并聯(lián)組成的50 Ω阻抗是解決電源端口傳導(dǎo)騷擾問題的關(guān)鍵。通過大量的實踐證明，大部分的電源端口傳導(dǎo)騷擾問題產(chǎn)生于ICM，它是一種共模電流，分析其路徑和大小有著極其重要的意義。
圖4 引起電源端口傳導(dǎo)騷擾的電流
電流探頭是信號端口傳導(dǎo)騷擾測試的關(guān)鍵設(shè)備。圖5是信號端口傳導(dǎo)騷擾測試配置圖，從圖5 中可以明確看到電流探頭實質(zhì)上測試的就是EUT電纜上的共模電流。當然與單極天線或偶極子天線模型產(chǎn)生輻射發(fā)射一樣，引起信號端口傳導(dǎo)騷擾的共模電流通常不是信號端口上的正常工作電流信號，而是一些“無意”的共模電流引起的。可見，信號端口傳導(dǎo)騷擾測試實質(zhì)上與輻射發(fā)射測試中因產(chǎn)品中的電纜或長尺寸導(dǎo)體產(chǎn)生的等效單極天線或偶極子天線模型而產(chǎn)生的輻射發(fā)射是一致的，只是頻段上不一樣。
圖5 信號端口傳導(dǎo)騷擾測試配置圖
三、ESD抗擾度測試實質(zhì)
圖6 某一產(chǎn)品進行ESD測試時的ESD放電電流分布路徑
從ESD測試配置描述可以看出，在進行ESD測試時，需要將靜電槍的接地線接至參考接地板（參考接地板接安全地），EUT放置于參考接地板之上（通過臺面或0．1 m高的支架），靜電放電槍頭指向EUT中各種可能會被手觸摸到的部位或水平耦合板和垂直耦合板，這就決定了ESD測試是一種以共模為主的抗擾度測試，因為ESD電流最終總要流向參考接地板。ESD干擾原理可以從兩方面來考慮。首先，當靜電放電現(xiàn)象發(fā)生在EUT中被測部位時，伴隨著ESD放電電流也將產(chǎn)生，分析這些ESD放電電流的路徑和電流大小具有極其重要的意義。
值得注意的是，ESD接觸放電電流波形的上升沿時間會在1 ns以下，這意味著ESD是一種高頻現(xiàn)象。ESD放電電流路徑與大小不但由EUT的內(nèi)部實際連接關(guān)系（這部分連接主要在電路原理圖中體現(xiàn)）決定，而且還會受這種分布參數(shù)的影響。圖6表達了某一產(chǎn)品進行ESD測試時的ESD放電電流分布路徑。圖6中的CP1、CP2、CP3分別是放電點與內(nèi)部電路之間的寄生電容、電纜與參考接地板之間的寄生電容和EUT殼體與參考接地板之間的寄生電容。這些電容的大小都會影響各條路徑上的ESD電流大小。
如果有一條ESD電流路徑包含了產(chǎn)品的內(nèi)部工作電路，那么該產(chǎn)品在進行ESD測試時受ESD的影響就會很大；反之則產(chǎn)品更容易通過ESD測試?？梢?，如果產(chǎn)品的設(shè)計能避免ESD共模電流流過產(chǎn)品內(nèi)部電路，那么這個產(chǎn)品的抗ESD干擾的設(shè)計是成功的，ESD抗擾度測試實質(zhì)上包含了一個瞬態(tài)共模電流（ESD電流）流過產(chǎn)品（瞬態(tài)共模電流）干擾正常工作電路的原理。
其次，ESD測試時所產(chǎn)生的ESD電流還伴隨瞬態(tài)磁場，當這種時變的磁環(huán)經(jīng)過電路中的任何一個環(huán)路時，該環(huán)路中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而影響環(huán)路中的正常工作電路。四、共模傳導(dǎo)性抗擾度測試實質(zhì)共模抗擾度測試以共模電壓的形式把干擾疊加到被測產(chǎn)品的各種電源端口和信號端口上，并以共模電流的形式注入到被測產(chǎn)品的內(nèi)部電路中（產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)構(gòu)架對EFT／B共模電流的路徑與大小起著決定性的作用，或直接以共模電流的形式注入到被測產(chǎn)品的內(nèi)部電路中，共模電流在產(chǎn)品內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，會轉(zhuǎn)化成差模電壓并干擾內(nèi)部電路正常工作電壓（產(chǎn)品電路中的工作電壓是差模電壓）。
對于單端傳輸信號，如圖1所示，當同時注入到信號線和GND地線上的共模干擾信號進入電路時，在IC1的信號的端口處，由于S1于GND所對應(yīng)的阻抗不一樣（S1 較高，GND較低），共模干擾信號會轉(zhuǎn)化成差模信號，差模信號存在于S 1 與GND之間。這樣，干擾首先會對IC1的輸入口產(chǎn)生干擾。濾波電容C的存在，使IC1 的第一級輸入受到保護，即在IC1 的輸入信號端口和地之間的差模干擾被C濾除或旁路（如果沒有C的存在，可能干擾就會直接影響IC1的輸入信號），然后，大部分會沿著PCB中的低阻抗地層從一端流向地層的另一端，后一級的干擾將會在干擾電流流過地系統(tǒng)時產(chǎn)生（當然這里忽略了串擾的因素，串擾的存在將使干擾電流的流徑路徑復(fù)雜化，因此串擾的控制在EMC設(shè)計中也是非常重要的一步）。
圖7共模干擾電流流過地阻抗時產(chǎn)生的壓降
其中，圖7中的Z0V表示PCB中兩個集成電路之間的地阻抗，US表示集成電路IC1向集成電路IC2傳遞的信號電壓。共模干擾電流流過地阻抗 Z0V時，Z0V的兩端就會產(chǎn)生壓降 UCM≈Z0V Iext。該壓降對于集成電路IC 2 來說相當于在IC 1 傳遞給它的電壓信號 U S 上又疊加了一個干擾信號U CM，這樣IC 2 實際上接受到的信號為U S＋U CM，這就是干擾。干擾電壓的大小不但與共模瞬態(tài)干擾的電流大小有關(guān)，還與地阻抗 Z0V的大小有關(guān)。當干擾電流一定的情況下，干擾電壓UCM的大小由Z0V決定。也就是說，PCB中的地線或地平面阻抗與電路的瞬態(tài)抗干擾能力有直接影響。
例如，一個完整（無過孔、無裂縫）的地平面，在100 MHz的頻率時，只有3．7 mΩ的阻抗。即使有100 A的瞬態(tài)電流流過3．7 mΩ 的阻抗，也只會產(chǎn)生0．37 V的壓降，這對于3．3 V的TTL電平的電路來說，是可以承受的，因為3．3 V的TTL電平總是要在0．8 V以上的電壓下才會發(fā)生邏輯轉(zhuǎn)換，這已經(jīng)是具有相當?shù)目垢蓴_能力了。又如，流過電快速瞬變脈沖群干擾的地平面存在1 cm的裂縫，那么這個裂縫將會有1 nH的電感，這樣當由100 A的電快速瞬變脈沖群共模電流流過時，產(chǎn)生的壓降：V＝ ｜ L×dI／dt｜ ＝1 nH×100 A／5 ns＝20 V20 V的壓降對3．3 V電平的TTL電路來說是非常危險的，可見PCB中地阻抗對抗干擾能力的重要性。
實踐證明對于3．3 V的TTL電平邏輯電路來說，共模干擾電流在地平面上的壓降小于0．4 V將是安全的；如果大于2．0 V將是危險的。對于2．5 V的TTL電平邏輯電路，這些電壓將會更低一點（0．2V和1．7V），從這個意識上，3．3V TTL電平的電路比2．5V電平的TTL電路具有更高的抗干擾能力。
對于差分傳輸信號，當共模電流ICM流過地平面時，必然會在地平面的阻抗Z0V兩端產(chǎn)生壓降，當共模電流ICM一定時，地平面阻抗越大，壓降越大。像單端信號被干擾的原理一樣，這個壓降猶如施加在差分線的一根信號線與參考地之間，即圖8中所示的 UCM1、UCM2、UCM3、UCM4。
圖8 共模干擾電流對差分電路的干擾原理
由于差分線對的一根線與參考地之間的阻抗Z1、Z2，接收器與發(fā)送器的輸入／輸出阻抗Z S1、Z S2，總是不一樣的（由于寄生參考的影響，實際布線中不可能做到兩根差分線對的對地阻抗一樣），從而造成UCM1、UCM2、UCM3、UCM4的值也不相等，差異部分即轉(zhuǎn)化為差模干擾電壓Udiff，對差分信號電路產(chǎn)生干擾。可見，對于差分電路來說，地平面的阻抗也同樣重要，同時PCB布線時，保證差分線對的各種寄生參數(shù)平衡一致也很重要。
五、差模傳導(dǎo)性抗擾度測試實質(zhì)
差模傳導(dǎo)性抗擾度測試原理非常簡單，測試時，差模干擾電壓直接疊加在正常工作電路上，然后觀察電路工作是否正常。由于單一的差模傳導(dǎo)性抗擾度測試通常都是低頻的測試，而且都是針對瞬態(tài)干擾的抗擾度測試，這樣傳遞干擾路徑的分析也比較容易，因為較小的寄生參數(shù)不會對低頻信號傳輸產(chǎn)生較大的影響。六、差模共?；旌系膫鲗?dǎo)性抗擾度測試實質(zhì)差模共?；旌系膫鲗?dǎo)性抗擾度測試主要是指，在傳導(dǎo)性抗擾度測試中，既要進行差模測試又要進行共模測試，或在差模過程中既有共模的干擾直接注入到產(chǎn)品被測端口上，又有差模的干擾直接注入到產(chǎn)品被測端口上的傳導(dǎo)性抗擾度測試。
