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EMC噪聲的本質

發布時間:2024-05-09 責任編輯:lina

【導讀】頻譜是將電磁波分解為正弦波分量,并按波長順序排列的波譜,就是將具有復雜組成的東西分解(頻譜分析儀)為單純成分,并把這些成分按其特征量的大小依序排列(部分不計),橫軸作為頻率,縱軸作為功率或電壓。


頻譜的含義


頻譜是將電磁波分解為正弦波分量,并按波長順序排列的波譜,就是將具有復雜組成的東西分解(頻譜分析儀)為單純成分,并把這些成分按其特征量的大小依序排列(部分不計),橫軸作為頻率,縱軸作為功率或電壓。


EMC噪聲的本質

圖1-1:頻譜的定義


從圖1-1可以看到,數字波形是由多種頻率疊加而形成的,示波器和頻譜儀分別從兩個視角獲得一個數字波形的不同信息,示波器獲得bit信息,頻譜儀獲得頻譜信息或者能量信息。


EMC噪聲的本質

圖1-2:示波器角度的數字波形

在圖1-2表示開關信號的脈沖波形中,包括tw(脈沖寬度)和ts(上升/下降時間)。


EMC噪聲的本質

圖1-3:連續化的頻譜圖


圖1-3是基于傅里葉變換的理論上的脈沖波形頻譜,這是一個連續化頻譜,振幅隨著頻率的升高而衰減,衰減斜率隨著tw和ts而變化。藍色線表示脈沖的ts變慢后的頻譜變化,斜率變為-40dB/dec 時的捕獲.JPG頻率降低(向左偏移),最終結果是其后的振幅減少,即當ts延遲時頻譜的振幅衰減,頻譜下降。


影響頻譜的因素


對于信號波形的變化,頻譜將以怎樣的趨勢變化,使用實際的頻譜分析儀數據來分析頻率等其他參數變化時的頻譜變化。這里將通過實際的DC-DC的開關相關的頻譜來分析并解決EMC問題時所需要的理論知識。圖1-4中的圖形是初始條件下的數據:

振幅=10V,頻率=400kHz,Duty=50%,tr/tf=10ns。

中間的圖表示n次諧波和振幅(V)的關系,1倍的頻率=基波,400kHz的分量最大,以奇數倍的頻率形成頻譜。僅產生奇次諧波是Duty為50%(=1:1)的頻譜特征,各分量的大小為基波分量的1/次數,例如3次諧波分量為1/3,n次諧波分量為1/n。

最下面的圖是振幅為EMC噪聲的本質的對數曲線圖,EMC噪聲的本質是基于以1EMC噪聲的本質電壓為基準的電壓比的dB 值(1=0dBEMC噪聲的本質)。



EMC噪聲的本質

圖1-4:初始波形


EMC噪聲的本質

圖1-5:將頻率提高到2MHz


圖1-5是將頻率提高到2MHz時的頻譜,從頻率--振幅(EMC噪聲的本質)關系圖可以明確看出,當基波頻率增高時,整個頻譜會向右(頻率高的一側)偏移。


EMC噪聲的本質

圖1-6:tr和tf的速度都減慢為100ns


圖1-6是tr和tf的速度都減慢為100ns時的頻譜,由于進入-40dB/dec衰減時的頻率降低,因此高次諧波的頻譜振幅衰減。

EMC噪聲的本質

圖1-7:將Duty從50%變為20%


圖1-7是將Duty從50%變為20%時的頻譜,由于Duty不是1:1,因此會產生偶次諧波,但峰值基本上沒變化,隨著脈沖寬度tw變窄,基波頻譜的振幅衰減。

EMC噪聲的本質

圖1-8:僅將tr(上升時間)減慢


圖1-8是僅將tr(上升時間)減慢時的頻譜,tr相關的高次諧波分量因tr變慢而衰減。即僅上升速度減慢 ? 上升分量相關的高次諧波衰減。總而言之,當基波頻率較低且上升/下降較慢時,諧波頻譜會衰減,從EMC的角度來看,也就是頻譜的振幅較低時更有利。


小結:

高頻化--->頻譜整體增加

上升/下降速度減緩--->低頻段衰減-40dB/dec

Duty變更--->發生偶數次高次諧波,但對頻譜的峰值無影響,基波下降

僅上升速度減緩--->上升成分在低頻段衰減

頻率越低--->上升/下降越慢,頻譜越低

EMC概念定義


EMC(Electromagnetic Compatibility),電磁兼容性,即不對其它設備產生電磁干擾,并且受到來自其它設備的電磁干擾時,系統運行不受影響,仍保持原有的性能。EMI(Electromagnetic Interference),電磁干擾,由于IC工作產生噪聲EMI,給周邊IC和系統帶來干擾或者干擾性的電磁波,所以需要設計不產生EMI的電路。


EMS(Electromagnetic Susceptibility),電磁干擾敏感度或電磁敏感性,即使受到EMI影響也不會造成干擾的能力與耐受性,需要設計能承受EMI的可靠性電路。測試領域里面EMI分為兩種,傳導噪聲(Conducted Emission)和輻射噪聲(Radiated Emission)。


傳導噪聲是指經由線體或PCB板布線傳導的噪聲,輻射噪聲是指排放(輻射)到環境中的噪聲。對于這些噪聲,EMS中分別都有耐受性要求,稱為傳導抵抗力(Conducted immunity)和輻射抵抗力(Radiated immunity)它們的關系如下:


EMC噪聲的本質

圖1-9:EMC分支


輻射機理


EMC噪聲的本質

圖1-10:交直流對比


處在直流狀態的電信號,f=1/T,T足夠長,可以理解其基頻信號頻率為0,那么它的各種奇次偶次諧波也是0,即沒有高頻信號,只會產生磁通。而處在交流狀態的電信號,會產生不斷變化的磁場,不斷變化的磁場又會產生不斷變化的電場,循環這一過程,引入位移電流的概念,就是輻射的核心機理。

EMC噪聲的本質

圖1-11:數字波形高頻含量輻射


從板級的角度考慮,頻率越高的噪聲,波長越短,所需的輻射天線越小,就越容易輻射到空氣中,這也是高速信號需要屏蔽的根據之一。

EMC噪聲的本質

圖1-12:位移電流概念


EMC噪聲的本質

圖1-13:探測輻射的過程


對于輻射值的標準,各個領域,各個國家依據的標準都不一樣,世界通用標準是CISPR,而日本:VCCI Class、美國:FCC、歐洲:EN,還有就是把CISPR作為基準來自定義設定規定值,各個標準依據電子產品的不同細分為各種子標準。

文章來源:EDN電子技術設計


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