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EMI/EMC设计讲座:传导式EMI的测量技术(下)

时间2014/10/09
人物Lee
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「传导式(conducted)EMI」是指部分的电磁(射频)能量透过外部缆线(cable)、电源线、I/O互连界面,形成「传导波(propagation wave)」被传送出去。本文将说明射频能量经由电源线传送时,所产生的「传导式噪声」对PCB的影响,以及如何测量「传导式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制规定。


传导式EMI的限制
  
对EMI而言,滤波器是做何用途呢?表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制规定。此表中比较特殊的是,除了可用dBμV计量以外,也可以用mV来计量。这对那些讨厌使用对数(logarithm)计算的设计者而言很便利。
  
在对数的定义里:db=20log10[V1/V2]  ,V1/V2是输出入电压的比值。所以,dBμV表示是以IμV为对数的比较基准。下式是mV转换成dBμV的公式:

dBμV)=20Хlog[mV/10-6]
  
譬如:0.25mV可以透过公式,得出:20log10[0.25Х1,000/1] ≌48 dBμV。
  
而dBμV转换成mV的公式如下:
  
(mV)=(10(dbμV)/20)Х10-3


  

表一:传导式EMI的限制

  
必须注意的是,FCC并没有规定平均的限制值,只规定了「准峰值(quasi-peak)」。虽然,FCC有认可CISPR22的限制值。但是,FCC不允许两者混用或并用。设计者必须择一而从。不过,以目前的情况来看,FCC Part 15势必会逐渐和CISPR 22完全一致的。

  
表二是dBμV与mV的快速转换对查表,我们可以利用上述的公式来转换dBμV、mV;或利用表二查得。

  

  表二:dBμV与mV的对查表
 


再观察一下表一中的类别B,尤其是150 kHz至450 kHz,和450 kHz至500 kHz的区域。实际上,对CISPR而言,这是一个连续的区域,因为dBμV对log(f)的限制线在150 kHz到500 kHz的区域内是一条直线。在150 kHz至500 kHz之间,CISPR均限曲线(传导式EMI)的任一点之dBμV值可由下式求出:
  
(dBμVAVG)= -19.07Хlog(ƒMHZ)+40.28
  
为了方便计算和记忆,上式可以改写成:
  
(dBμVAVG)= -20Хlog(ƒMHZ)+40
  
在这个区域内的「准峰值限制」正好比「平均限制」高10dB。所以,在150 kHz至500 kHz之间,CISPR准峰值限制曲线(传导式EMI的任一点之dBμV值可由下式求出:

)   
(dBμVQP)= -19.07Хlog(ƒMHZ)+50.28
  
同样的,上式也可以改写成:
  
(dBμVQP)= -20Хlog(ƒMHZ)+50
  
CISPR 22类别B在150 kHz至500 kHz之间的限制值,实际上是上述的化约式。 就数学定义而言,AХlog(ƒMHZ)+c是一条直线(如果水平轴具有对数刻度),其斜率为A,当频率(f)为1MHz时,它通过c点。就CISPR 22类别B而言,虽然它的dBμV直线在500 kHz处被截断,但是它的渐近线(asymptote)仍会通过40或50dBμV,这分别是「均限曲线」和「准峰值限制曲线」的c点(亦即,频率为1MHz时的dBμV值)。
  
例如:当频率为300 kHz时,CISPR 22类别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
  
因为准峰值限制比均限值多10 dB,所以它是60.25 dBμV。
  
比较表一中的准峰值限制,是否意味着当超过450 kHz时,FCC标准会比CISPR 22严格?首先,FCC标准是以美国国内的电源电压为测量基准;而CISPR则是使用更高的电源电压来测量。所以这是「淮橘成枳」的问题,不能相提并论。此外FCC虽然没有定义均限值,但是当CISPR 22的准峰值限制和均限值之差超过6 dB以上时,它放宽了限制(约13 dB)。因此,在实务上,符合CISPR标准的产品也会符合FCC的标准。
  
有人说:「频率大约在5 MHz以下时,噪声电流倾向于以差模为主;但在5 MHz以上时,噪声电流倾向于以共模为主。」不过这种说法缺乏根据。当频率超过20 MHz时,主要的传导式噪声可能是来自于电感的感应,尤其是来自于输出缆线的辐射。本质上这是共模。但对一个交换式转换器而言,这并不是共模噪声的主要来源。如表一所示,标准的传导式EMI限制之频率测量范围是从150 kHz至30 MHz。为何频率范围不再向上增加呢?这是因为到达30 MHz以后,任何传导式噪声将会被主要的导线大幅地衰减,而且传输距离会变短。但缆线当然还会继续辐射,因此「辐射限制」的范围实际上是从30MHz到1GHz。

结语
  
来自电源电路的EMI是很难察觉的。因为工程师都习惯将电源供应器想象成一个「干净的」电源,殊不知,越是习以为常的组件,越可能是会发射EMI的「黑盒子」。



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