高速數(shù)字PCB輻射電磁干擾噪聲 機理分析與抑制方法研究

孫紅艷 趙 陽 張 楊

（1.南京師范大學泰州學院，江蘇 泰州 225300 2.南京師范大學電氣與自動化工程學院，南京 210046）

在常規(guī)電子產(chǎn)品的輻射EMI 噪聲建模與診斷研究方面，國內(nèi)外學者利用電路和電磁場方法建立了輻射EMI 噪聲模型，為后續(xù)的噪聲抑制提供了理論依據(jù)。Sarikhani A 等學者利用3D 有限元技術建立了電機輻射EMI 模型，能有效估計由電機及其線路產(chǎn)生的輻射EMI 噪聲[1]；崔翔等學者提出了一種近場磁場測試方法，并根據(jù)PCB 環(huán)路幾何參數(shù)和等效電流計算得到Buck 變換器產(chǎn)生的近場磁場[2]；方哲等學者利用天線效應和極子積分方法，建立了串行傳輸線同步信號的單線輻射發(fā)射模型[3]；Thomas 等學者提出了PCB 輻射干擾噪聲的等效偶極子模型[4]；Vahrenholt V 等學者設計了PEEC 和MOM 混合建模方法，對PCB 板跡線的電流分布和電磁發(fā)射進行仿真，混合方法比單一方法取得了更佳的數(shù)值計算效果[5]。

在課題組前期研究的基礎之上[6-10]，本文采用實驗研究了兩款電子設備的輻射超標問題，分別提出了時鐘晶振干擾模型，電源芯片干擾模型以及數(shù)據(jù)線纜干擾模型。

1 輻射EMI 噪聲機理分析

射頻情況下，圖1（a）中信號地的電位不為零，使得電流返回路徑受到影響，即相當于有一電流（ICM）從接地點流出，從而產(chǎn)生共模輻射噪聲，此時的電路模型為電偶極子共模模型。圖1（b）為差模輻射模型，電路的大環(huán)路信號線等效為環(huán)狀天線，模型為磁偶極子差模模型。

圖1 輻射EMI 干擾模型

根據(jù)上述輻射模型，近場中電偶極子的電磁場特性即共模輻射場為

另一方面，磁偶極子的電磁場特性即差模輻射場為

2 輻射EMI 噪聲模型分析

2.1 基于晶振引起的輻射噪聲建模分析

高速數(shù)字PCB 時鐘晶振在工作過程中會產(chǎn)生較多射頻共模輻射噪聲信號。常規(guī)無源晶振信號輸出端口的信號經(jīng)過連接線纜傳輸給相應的處理芯片正常工作時，在線纜上傳輸將會是輻射EMI 噪聲的最為主要的干擾源之一，該主頻時鐘信號會隨著系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)而在設備內(nèi)部傳輸，一旦該信號在長距離線纜上傳輸時，將會在空間產(chǎn)生較大的電磁場強。根據(jù)其工作原理可以得出如圖2所示的等效干擾模型電路。其空間輻射場強大小如式（3）所示，即

式中，Vo為時鐘晶振主頻信號幅值，Io為晶振輸出電流，Zo為時鐘晶振輸出等效阻抗，r為測試距離。

圖2 無源晶振干擾輻射模型

2.2 基于電源芯片引起的輻射噪聲建模分析

高速數(shù)字PCB 因布線問題引起高頻信號接地系統(tǒng)阻抗過大，用于隔離各級電源芯片間的鐵氧體磁珠，因多點接地可能引起接地點電位不同，導致電源芯片接地不良，由此產(chǎn)生輻射EMI 噪聲。對于電源芯片產(chǎn)生的共模噪聲而言，如圖3（a）所示，可以等效為共模噪聲源UCM，共模噪聲源內(nèi)阻抗ZCM以及負載阻抗Zload。

圖3 電源芯片引起的輻射電磁干擾模型

當電源芯片接地良好時，負載上的電壓為：

當電源芯片接地不良時，浮地與地之間存在寄生電容C，故等效負載為Zload與寄生電容C的串聯(lián)，即ZL，如圖3（b）所示。此時，負載上的電壓變?yōu)閁′load

故增量ΔUload為因接地不良引起的共模EMI 噪聲。

此時，共模輻射場強E′CM遠遠大于接地良好時的場強ECM。

2.3 基于數(shù)據(jù)線纜引起的輻射噪聲建模分析

高速數(shù)字PCB 板間、PCB 電路與其他系統(tǒng)間一般存在較長的傳輸線纜，噪聲電流通過傳輸線纜會產(chǎn)生較強的輻射干擾噪聲。

數(shù)據(jù)線纜干擾噪聲模型分為共模輻射干擾和差模輻射干擾兩種類型，以短直導線連接的情況下形成共模干擾噪聲，以環(huán)路形式連接的情況下形成差模干擾噪聲。共模干擾如圖4（a）所示，根據(jù)其等效干擾模型可得其空間輻射場強大小，即

式中，VCM為共模噪聲源電壓；ZCM為共模噪聲源 阻抗。

圖4 數(shù)據(jù)線纜輻射干擾模型

數(shù)據(jù)線纜差模干擾模型如圖4（b）所示，根據(jù)其等效干擾模型可得其空間輻射場強大小，即

式中，VDM為差模噪聲源電壓，ZDM為差模噪聲源阻抗。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 計量測試設備：商用刷卡機在輻射EMI 中的應用

如圖5所示為某公司生產(chǎn)的商用刷卡機，采用江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實驗室3m 法電波暗室、德國羅德施瓦茨（R＆S）公司的EMI 接收機ESL3 進行測試，結(jié)果如圖6（a）所示。

圖5 商用刷卡機

圖6 商用刷卡機整改前后輻射EMI 測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果分析可得，該設備輻射EMI 噪聲超標的主要原因包含：晶振干擾、電源芯片輻射干擾以及數(shù)據(jù)線纜輻射。整改后的測試結(jié)果詳見圖6（b）。

1）時鐘晶振干擾

該設備PCB 板采用的晶振主頻為13.56MHz，如圖7（a）所示，測試結(jié)果中的超標頻點122.04MHz、135.60MHz、149.16MHz、176.32MHz、189.88MHz和257.68MHz 等均與13.56MHz 呈現(xiàn)多倍頻關系，因此在主頻信號的輸出端口與核心芯片的CLK 輸出管腳采用貼片磁珠和貼片電容進行濾波處理，并在晶振的輸出端口并聯(lián)10MΩ電阻，以改善信號完整性。整改原理圖如圖7（b）所示，其中C=680pF，R=10MΩ，磁珠為100Ω（100MHz）。

圖7 針對商用刷卡機時鐘晶振整改措施圖

2）電源芯片干擾

測試結(jié)果在120～200MHz 頻段內(nèi)存在一個很大的包絡，為典型的電源干擾信號導致，因此在電源出口處加載并聯(lián)電容進行濾波，且在電源線纜上加載磁環(huán)以增大其線纜阻抗，衰減高頻干擾噪聲。如圖8所示，其中C1=C2=1μF，C3=0.1μF，C4=1nF，C5=220pF，C6=10pF。

圖8 針對商用刷卡機電源芯片整改措施圖

3）數(shù)據(jù)線纜干擾

根據(jù)對設備內(nèi)部連接兩塊PCB 板的連接線纜進行分析，發(fā)現(xiàn)其功能為傳輸刷卡機射頻芯片的高頻信號，且長度較長，構(gòu)成共模輻射，因此根據(jù)文中方法分析，在該數(shù)據(jù)線纜上加載鐵氧體磁環(huán)，減小共模輻射噪聲。其整改措施如圖9所示。

圖9 針對商用刷卡機數(shù)據(jù)線纜整改措施圖

綜合上述處理措施，整改后的測試結(jié)果如圖6（b）所示，能夠較好通過電磁兼容標準GB 9254 Class A 測試，超標單頻點的抑制前后結(jié)果如表1所示，且最小具有3.24dBμV/m 的噪聲裕量，有效驗證了本文模型以及整改措施的有效性。

3.2 醫(yī)療電子設備：生物刺激反饋儀在輻射EMI中的應用

如圖10所示為某公司生產(chǎn)的生物刺激反饋儀，采用3m 法電波暗室進行測試，結(jié)果如圖11（a） 所示。

表1 商用刷卡機輻射EMI 噪聲

圖10 生物刺激反饋儀

根據(jù)測試結(jié)果分析，該設備的超標情況主要是單頻點和頻段輻射超標，根據(jù)輻射EMI 噪聲的生成機理，其單頻點噪聲主要由晶振和時鐘信號導致，而其輻射EMI 噪聲嚴重超標主要是在傳輸線纜上得到了很大的放大。整改后的測試結(jié)果詳見圖11（b）。

圖11 生物刺激反饋儀整改前后輻射EMI 測試結(jié)果

1）時鐘晶振干擾

該設備PCB 板采用的晶振主頻為11.0592MHz，如圖12所示，測試結(jié)果中的超標頻點66.35MHz、121.65MHz、165.92MHz、199.88MHz 和266.52MHz等均與11.0592MHz 呈現(xiàn)多倍頻關系，因此在主頻信號的輸出端口與核心芯片的CLK 輸出管腳采用貼片磁珠和貼片電容進行濾波處理，其中貼片磁珠選用470Ω（100MHz），貼片電容選用180pF、68pF并聯(lián)。

圖12 生物刺激反饋儀11.0592MHz 時鐘晶振

2）電源芯片干擾

測試結(jié)果在100～150MHz 頻段內(nèi)的包絡較大，為典型的電源干擾信號導致，因此在電源出口處并聯(lián)兩個電容進行濾波，其容值為1500pF 與220pF，且在電源線纜上加載磁環(huán)以增大其線纜阻抗，衰減高頻干擾噪聲。如圖13所示為生物刺激反饋儀PCB板電源芯片及濾波電容。

圖13 生物刺激反饋儀PCB 板電源芯片及濾波電容

3）數(shù)據(jù)線纜干擾

根據(jù)對設備內(nèi)部連接兩個PCB 板的數(shù)據(jù)線纜進行分析，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)線纜是分開走線的，而這正好形成一個較大的環(huán)路，形成了差模干擾，因此根據(jù)文中方法分析，將其采用并行雙絞走線方式，從而減小環(huán)路面積，減小差模輻射噪聲。同時，在該數(shù)據(jù)線纜上加載鐵氧體磁環(huán)，進一步減小差模輻射噪聲。其整改措施如圖14所示。

圖14 針對數(shù)據(jù)線纜整改措施圖

綜合上述處理措施，整改后的測試結(jié)果如圖11（b）所示，能夠較好通過電磁兼容標準GB 9254 Class B 測試，超標單頻點的抑制前后結(jié)果如表2所示，且最小具有11.38dBμV/m 的噪聲裕量，有效驗證了本文模型以及整改措施的有效性。

表2 生物刺激反饋儀輻射EMI 噪聲

4 結(jié)論

本文在分析高速數(shù)字電子設備輻射電磁干擾噪聲生成機理的基礎之上，分析研究了高速數(shù)字電子設備的輻射電磁干擾噪聲建模技術，對輻射干擾噪聲分別建立了晶振干擾模型、電源芯片干擾模型以及數(shù)據(jù)線纜干擾模型。最后，本文以兩款電子設備為實驗對象，在分析其輻射超標的基礎之上，根據(jù)本文所提出的干擾模型對其進行了診斷與抑制，經(jīng)過有效抑制措施整改后，設備通過了國家標準GB 9254 的限值要求。

[1] Sarikhani A,Barzegaran M,Mohammed OA.Optimum equivalent models of Multi-Source systems for the study of electromagnetic signatures and radiated emissions from electric drives[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(2): 1011-1014.

[2] 張衛(wèi)東,邢悅,崔翔.電力線通信網(wǎng)絡電磁輻射近場測量系統(tǒng)[J].中國電機工程學報,2010,30(12): 117-121.

[3] 方哲,郁濱,岳云天.串行傳輸線同步信號輻射發(fā)射模型研究[J].儀器儀表學報,2013,34(10): 2373-2380.

[4] Tong Xin,Thomas DW,Nothofer A,et al.Modeling electromagnetic emissions from printed circuit boards in closed environments using equivalent dipoles[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2010,52(2): 462-470.

[5] Vahrenholt V,Brüns HD,Singer H.Fast EMC analysis of systems consisting of PCBs and metallic antenna structures by a hybridization of PEEC and MoM[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2010,52(4): 962-973.

[6] 趙陽,顏偉,趙波,等.電路輻射干擾機理診斷與特性估計[J].電工技術學報,2010,25(10): 6-13.

[7] 趙陽,戎融,張宇環(huán),等.提高GTEM 小室測量EMI噪聲精度的研究[J].中國電機工程學報,2012,32(27): 169-176,198.

[8] 趙陽,顏偉,邱曉暉.電力載波通訊中輻射噪聲的分析與抑制[J].中國礦業(yè)大學學報,2011,40(1): 152-156.

[9] Yan W,Zhao Y,Luo Yc,et al.Study on multifunction GTEM cell for radiated EMI measurement and analysis[C]//Electric Power and Energy Conference,2010: 1-4.

[10] Zhao Y,Liu Y,Li S J,et al.The radiated EMI noise modeling and features analysis on the basis of Smart Grid Equipments[C].Electromagnetic Compatibility (EMC Europe),2014 International Symposium on.IEEE,2014: 1199-1202.