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电磁兼容之辐射发射测试与整改攻略

原创： 黄艳婷、蔡长明 韬略科技EMC 2018-08-10

 

1电磁兼容概述

通俗易懂来说，电磁兼容是指同处于电磁波环境中能执行各自功能的共存状态，既要求都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。

电磁兼容的测试项目有很多，在电磁兼容试验中，每一个测试项目都是通过模拟电磁环境中的某一种干扰或抗干扰方式对产品所进行测试，以此评价产品干扰或抗干扰的影响程度。如静电放电抗扰度试验实质上是模拟具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移，在电荷转移过程中对电路引起的干扰是否造成电子产品功能紊乱，从而评价被测设备静电放电抗干扰程度；电快速瞬变脉冲群抗扰度试验实质上是一连串的暂态脉冲（脉冲群）骚扰，是否会引起电路乃至设备的误动作或性能降低，从而评价设备能正常工作抗暂态脉冲（脉冲群）的干扰程度；还有其它电磁兼容试验项目如工频磁场抗扰度、浪涌抗扰度、振铃波抗扰度、射频场感应的传导抗扰度、脉冲磁场抗扰度以及电压变化、电压波动和闪烁试验、传导骚扰等等。 其中有一个非常重要的测试项目辐射发射又称辐射骚扰（以下称之为辐射发射），主要是指能量以电磁波的形式由源发射到空间，并在空间传播的现象，对周围环境中的设备是否造成干扰。

辐射发射测试是电磁兼容的重要内容，也是测试最不容易通过的项目。不同的设备测试辐射发射，都需选取相应的产品标准，按照不同的设备等级或分类，来确定被测试设备EUT的测量限值或测试需求。

 

2辐射发射测试和结果分析

 

辐射发射测试能力和整改水平，是衡量一个实验室电磁兼容水平最直观的因素。

辐射发射测试示意图：

 

图1 测试示意图

测试设备：EMI接收机、高/低频接收天线、天线塔、测试软件等。

测试环境：电波暗室。

测量距离：是指EUT最接近天线的一点与天线中心在地面上投影间的距离。分为3米法和10米法。

天线高度：天线距离地面的高度应在规定的范围内变化，以便获得直射波和反射波同相位时会出现的最大读数。测试时，天线有水平和垂直两种状态，天线高度在1米到4米间上下变化。

频率范围：30MHz-18GHz。

测试过程中的关键步骤：

1. 将EUT放置于测试桌子上，按相应产品标准摆放EUT；

2. 打开EUT电源开关，将EUT调到正常工作模式进行测试；

3. 按EUT产品设定标准限值和测试频率，点击测试软件进行测试；

4. 测试先用峰值检波器预扫，测试结果以准峰值为准，准峰值大于标准限值则不合格，准峰值小于标准限值则合格；

5. 打开EUT另一个工作模式，重复3到4的测试，直到EUT的工作模式测试完。其中只要有一个工作模式不合格则该产品辐射发射不合格。

如测试30MHz-6GHz频段不合格结果图情形：

 

图2  30MHz-1GHz

图3  1GHz-6GHz

造成辐射发射超标的原因是多方面的，如接口滤波不好，结构屏效低，电缆设计有缺陷都有可能导致辐射发射超标，但产生辐射的原因存在于不同的设计阶段。

在元器件布局阶段需要注意：

1. 接口信号的滤波、防护和隔离等器件是否靠近接口连接器放置，先防护，后滤波；电源模块、滤波器、电源防护器件是否靠近电源的入口放置，尽可能保证电源的输入线最短，电源的输入输出分开，走线互不交叉；

2. 晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件或敏感器件是否远离单板拉手条、连接器；

3. 滤波电容是否靠近IC的电源管脚放置，位置、数量适当；

4. 时钟电路是否靠近负载，且负载均衡放置；

5. 接口滤波器件的输入、输出是否未跨分割区；除光耦、磁珠、隔离变压器、A/D、D/A等器件外，其它器件是否未跨分割区。

在PCB布线阶段需要注意：

1. 电源、地的布线处理无地环路，电源及与对应地构成的回路面积小；

2. 差分信号线对是否同层、等长、并行走线，保持阻抗一致，差分线间无其他走线；

3. 时钟等关键信号线是否布内层（优先考虑优选布线层），并加屏蔽地线或与其他布线间距满足3W原则，关键信号走线是否未跨分割区；

4. 是否无其他信号线从电源滤波器输入线下走线，滤波器等器件的输入、输出信号线是否未互相并行、交叉走线。

3案例与整改攻略

一  案例（本案例来源于滤波器公众号）

该产品为野外摄像机，内分核心控制板、sensor 板、摄像头、SD 存储卡和电池五部分组成，外壳为塑胶壳，小板仅有两个接口：DC5V 外接电源接口和数据传输的USB 接口。经过辐射测试发现有33MHz 左右的谐波杂讯辐射问题。

原始测试数据如下：

 

图4 测试图

二  问题分析

 该产品外壳结构塑胶外壳，是非屏蔽材料，整机测试只有电源线和USB 线引出壳体，难道干扰频点是由电源线和USB 线辐射出来的吗？故分别作了一下几步测试：

1. 仅在电源线上加磁环，测试结果：改善不明显；

2. 仅在USB 线上加磁环，测试结果：改善仍然不明显；

3. 在USB 线和电源线都加磁环，测试结果：改善较明显，干扰频点整体有所下降。

    从上可得，干扰频点是从两个接口带出来的，并非是电源接口或USB 接口的问题，而是内部干扰频点耦合到这两个接口所导致的，仅屏蔽某一接口不能解决问题。

    经过近场量测发现，干扰频点来之于核心控制板的一个32.768KHz 的晶振，产生很强的空间辐射，使得周围的走线和GND 都耦合了32.768KHz 谐波杂讯，再通过接口USB 线和电源线耦合辐射出来。而该晶振的问题在于以下两点问题所导致的：

1. 晶振距离板边太近，易导致晶振辐射杂讯。

2. 晶振下方有布信号线，，这易导致信号线耦合晶振的谐波杂讯。

3. 滤波器件放在晶振下方，且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布，使得滤波器件的滤波效果变差。

 

图5 晶振位置

三 解决对策

根据分析得出以下对策：

1. 晶体的滤波电容与匹配电阻靠近CPU 芯片优先放置，远离板边；

2. 切记不能在晶体摆放区域和下方投影区内布地；

3. 晶体的滤波电容与匹配电阻按照信号流向排布，且靠近晶体摆放整齐紧凑；

4. 晶体靠近芯片处摆放，两者间的走线尽量短而直。

    可以参考如下图布局方式：

图6 布局图

经整改后，样机测试结果如下：

图7 测试结果图

四 结论

现今很多系统晶振现今很多系统晶振时钟频率高，干扰谐波能量强；干扰谐波除了从其输入与输出两条走线传导出来，还会从空间辐射出来，若布局不合理，容易造成很强的杂讯辐射问题，而且很难通过其他方法来解决，因此在PCB 板布局时对晶振和CLK 信号线布局非常重要。

4整改攻略之展频技术

上述整改手法比较常规，对辐射发射超标情况，尤其是晶振问题造成的，最有效的手段就是展频技术。

图8 展频原理

图9 展频应用

图10 展频特点

图11 展频前测试结果

图12 展频后测试结果