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德州儀器：DC DC 轉換器 EMI 的工程師指南（四）——輻射發(fā)射

發(fā)布時間：2019-09-10 責任編輯：lina

【導讀】這篇系列文章的第 4 部分針對電源轉換器（特別是工業(yè)和汽車領域使用的電源轉換器）在開關時產生的輻射排放闡述了一些觀點。

簡介

這篇系列文章的第 4 部分針對電源轉換器（特別是工業(yè)和汽車領域使用的電源轉換器）在開關時產生的輻射排放闡述了一些觀點。

輻射電磁干擾 (EMI) 是一種在特定環(huán)境中動態(tài)出現的問題，與電源轉換器內部的寄生效應、電路布局和元器件排布及其在運行時所處的整體系統相關。因此，從設計工程師的角度出發(fā)，輻射 EMI 的問題通常更具挑戰(zhàn)性，復雜度更高，在系統主板使用多個 DC/DC 功率級時尤為如此。了解輻射 EMI 的基本機制以及測量要求、頻率范圍和相應限制條件至關重要。本文重點介紹這些方面的內容，展示輻射 EMI 測量裝置以及兩個 DC/DC 降壓轉換器的結果。

近場耦合

圖 1 概略介紹了噪聲源與受干擾電路之間基本 EMI 耦合模式特別是電感或 H 場耦合需要 di/dt 較高的時變電流源和兩條磁耦合回路（或帶有返回路徑的平行導線）。另一方面，電容或 E 場耦合需要 dv/dt 較高的時變電壓源和兩塊緊鄰的金屬板。這兩種機制均屬于近場耦合，其中的噪聲源與受干擾電路非常接近，可使用近場嗅探器進行測量。

圖 1：EMI 耦合模式

例如，現代電源開關，特別是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 基晶體管，其輸出電容 COSS 較低，柵極電荷 QG 較少，能夠以極高的 dv/dt 和 di/dt 轉換率進行開關。相鄰電路發(fā)生 H 場和 E 場耦合以及串擾的可能性很高。然而，隨著互感或電容減小，耦合結構的間距增大，近場耦合顯著減弱。

遠場耦合

典型的電磁 (EM) 波以 E 場和 H 場組合的形式傳播。輻射天線源附近的場結構為復雜的三維模式。從輻射源進一步分析，遠場區(qū)域中的 EM 波由彼此正交并且與傳播方向正交的 E 場和 H 場分量組成。圖 2 展示了這種平面波，它代表輻射 EMI 的主要基準，受到各種輻射標準的約束。

圖 2：電磁平面波傳播

圖 3 所示的波阻抗等于電場強度與磁場強度之比。遠場區(qū)域中的 E 和 H 分量同相，因此遠場阻抗呈阻性，具體值可通過麥克斯韋方程（如方程 1 所示）的平面波解決方案計算：

如果 λ 是波長，F 是所需頻率，方程 2 通常表示近場和遠場區(qū)域之間的邊界：

然而，該邊界不是精確的標準，僅用于指示一般性過渡區(qū)域（圖 3 中描述為 l/16 至 3l），其中的場從復雜的分布形態(tài)演變?yōu)槠矫娌ā?/div>

圖 3：麥克斯韋定律中近場和遠場區(qū)域的波阻抗

鑒于多數天線設計用于檢測和響應電場，輻射的電磁波通常稱為垂直或水平極化，具體取決于電場方向。測量 E 場天線一般應與傳播的 E 場在同一平面中定向，從而檢測最大場強。因此，輻射 EMI 測試標準通常介紹接收天線以垂直和水平極化方式安裝時的測量。

工業(yè)和多媒體設備中的輻射EMI

表 1 列出了聯邦通信委員會 (FCC) 第 15 部分 B 子節(jié)針對無意輻射體規(guī)定的 A 類和 B 類輻射發(fā)射限值。此外，本規(guī)范第 15.109(g) 條允許在使用美國國家標準協會 (ANSI) C63.4-2014 規(guī)定的測量方法時，使用國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 22 規(guī)定的輻射發(fā)射限值（如表 2 所述）。表 1 和表 2 中規(guī)定的限值均針對低于 1GHz 的頻率，使用 CISPR 準峰值 (QP) 檢測器功能，分辨率帶寬 (RBW) 為 120kHz。表 3 和表 4 規(guī)定的限值針對 1GHz 以上的頻率，此時使用峰值 (PK) 和平均 (AVG) 檢測器以及分辨率帶寬為 1MHz 的接收器。

對于指定的測量距離，B 類民用或家用應用限制通常比 A 類商用或工業(yè)應用限制更嚴格，通常高出 6dB 至 10dB。另請注意，表 1 和表 2 還包括一個按照 15.31(f)(1) 使用的 20 dB/dec 的反向線性距離 (1/d) 比例系數，針對 3m 和 10m 天線測量距離對應的限值進行歸一化處理，從而確定合規(guī)性。例如，如果將天線放置在 3 米而非 10 米的位置，從而保持在測試設備邊界內，則限制幅值調整約 10.5dB。

表 1：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 標準規(guī)定的 30MHz 到 1GHz 范圍的輻射發(fā)射場強 QP 限值

表 2：按照 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 標準規(guī)定的 30MHz 到 1GHz 范圍的輻射發(fā)射場強 QP 限值

表 3：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 標準規(guī)定的 1GHz 到 6GHz 范圍的輻射發(fā)射場強限值

表 4：按照 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 標準規(guī)定的 1GHz 到 6GHz 范圍的輻射發(fā)射場強限值

圖 4 展示了當天線距離為 3m 時，A 類和 B 類相關限值的圖象。符合 FCC 的設計包括采用 Bluetooth® 低能耗技術的氣體傳感器實施方案，其由電池供電，可從德州儀器 (TI) 購買。用戶可下載有關此設計的FCCA類合規(guī)性報告，其中列出輻射發(fā)射測試數據和圖象，以便查閱相關信息。

圖 4：FCC 第 15 部分和 CISPR 22 的 A 類和 B 類輻射限值（對于低于和高于 1GHz 這兩種條件，分別使用 QP 和 AVG 檢測器）

如圖 5 所示，輻射 EMI 測試程序包括將待測設備 (EUT) 和支持設備放置在半消聲室 (SAC) 或開闊試驗場 (OATS) 內的非導電轉盤（高出基準接地平面 0.8m）之上，遵循 CISPR 16-1 中所定義。EUT 設置在與安裝于天線塔上的接收天線相距 3m 的位置。

使用經校準的寬帶天線（雙錐形天線和對數周期天線組合，或者 Bilog 天線）的 PK 檢測器預掃描功能，沿水平和垂直兩種天線極化方向對 30MHz 到 1GHz 的輻射發(fā)射進行檢測。這種探究性測試可以確定所有重要發(fā)射的頻率。執(zhí)行該測試后，使用 QP 檢測器檢查相關的故障點，記錄最終合規(guī)測量值。

在測試期間，EMI 接收器的 RBW 設置為 120kHz。配置天線的水平和垂直極化方向（將其相對于接地平面旋轉 90°），并將高度調整為高出接地平面 1m 到 4m，以便在考慮地面反射時，將每個測試頻率對應的場強讀數最大化。在測量期間，可將轉盤上的 EUT 在 0 到 360° 之間旋轉，使天線與 EUT 之間的方位角發(fā)生變化，以便根據 EUT 的方位獲得最大場強讀數。天線位于 EUT 的遠場區(qū)，對應于 3m 天線距離，頻率為 15.9MHz。

圖 5：FCC 第 15 部分和 CISPR 22/32 對應的輻射發(fā)射測量裝置

可以使用喇叭天線針對 1GHz 以上的頻率執(zhí)行 PK 檢測器預掃描，然后在接近限制時使用 AVG 檢測器。EMI 接收器的 RBW 設置為 1MHz。天線方向明確，因此無需執(zhí)行高度掃描，接地平面和暗室壁的反射也很難造成干擾。然而，EUT 在這些頻率下的輻射發(fā)射方向性更強，因此轉盤再次旋轉 360 度，確定天線極化方向以獲得最大響應。根據表 5，測量頻率的上限范圍隨 EUT 的最高內部頻率發(fā)生變化。

表5：輻射發(fā)射最大測量頻率（基于 EUT 內部時鐘源的最高頻率）

輻射發(fā)射測試以每米若干分貝/微伏 (dB/mV) 為單位校準電場強度。天線因子 (AF) 是天線平面產生的電場 (mV/m) 與頻譜分析儀 (SA) 或掃描 EMI 接收器測得的電壓 (dB/mV) 之比。一般而言，校正的發(fā)射電平由方程 3 推導得出，推導時將 AF、電纜損耗 (CL)、衰減器和 RF 限制器損耗因子 (AL) 以及放大器預增益 (AG) 考慮在內。

圖 6 所示為 LMR16030 60V/3A 降壓轉換器輻射發(fā)射測試裝置的照片和結果。測量條件為 24V 輸入、5V 輸出、3A 負載電流和 400kHz 開關頻率。

圖 6：CISPR 22 輻射 EMI 測試：測試裝置照片 (a)；水平和垂直極化天線的輻射 EMI 結果 (b)

汽車系統中的輻射 EMI

盡管屏蔽電纜可以削弱汽車系統中的干擾效應，但 EMI 可通過串擾“有效地”在易受影響的電路中耦合。在場線耦合效應的作用下，對于體積相對較小但電源分布密集、信號通過電纜束的車輛，輻射排放還可能導致信號互連出現輻射抗擾問題。基于上述原因，評估 EMI 性能便成為汽車工程師在設計和測試電動汽車時重點關注的問題。

UNECE 10 號法規(guī)和 CISPR 25

CISPR 12 和 CISPR 25 均為國際標準，提供無線電干擾測量的限值和程序，分別為汽車的車載和非車載接收器提供保護。CISPR 25 特別適用于汽車級別，也適用于所有車用電子組件 (ESA)。與其他標準相比，CISPR 25 通常作為汽車制造商及其供應商定義產品規(guī)格的基礎，但不是評定合規(guī)性和遵從情況的基準。自歐盟電動汽車 EMC 指令廢止后，聯合國歐洲經濟委員會 (UNECE) 第 10 條規(guī)定中出現這一差別。

CISPR 25 針對車輛元器件排放測量定義了數種方法和限值類別，兼顧寬帶 (BB) 源和窄帶 (NB) 源。圖 7 說明了針對元器件/模塊使用 PK 和 AVG 檢測器的 5 類限值。測量對象為車輛中工作在廣播和移動服務頻帶中的接收器。最低測量頻率涉及 150kHz 至 300kHz 的歐洲長波 (LW) 廣播頻帶，最高頻率為 2.5GHz（考慮藍牙傳輸）。

圖 7：使用內襯吸收器的屏蔽外殼 (ALSE) 方法，通過峰值和平均值檢測器（線性頻率標度）測得的元器件/模塊的 CISPR 25 5 類輻射限值

對于 30MHz 以下和以上兩種條件下的檢測，掃描接收器的 RBW 分別為 9kHz 和 120kHz。例外情況是 GPS L1 民用（1.567GHz 至 1.583GHz）和全球導航衛(wèi)星系統 (GLONASS) L1（1.591GHz 至 1.613GHz）頻段。在這兩種頻段下，需要 9kHz 的 RBW 和 5kHz 的最大步長，從而在僅使用 AVG 檢測器的情況下檢測出相應的 NB 發(fā)射。

CISPR 25 的天線系統

使用額定輸出阻抗為 50Ω 的線性極化電場天線進行測量。表 6 和圖 8 顯示了 CISPR 25 建議使用的天線，可提升不同實驗室所提供結果的一致性。

表 6：根據 CISPR 25，建議使用電場天線；雙錐形天線和對數周期天線存在疊加頻率，而 Bilog 天線覆蓋了二種天線各自的頻率范圍。

圖 8：符合 CISPR 25 規(guī)范的測量天線

對于低頻測量，使用帶地網的無源/有源拉桿單極天線。雙錐形和對數周期偶極子陣列 (LPDA) 天線通常分別覆蓋 30MHz 至 200MHz 和 200MHz 至 1GHz 的頻率范圍。最后，雙脊喇叭天線 (DRHA) 通常用于 1GHz 至 2.5GHz。寬帶 Bilog 天線的外型比雙錐形或對數周期天線更大，有時用于覆蓋 30MHz 至 1GHz 的頻率范圍。

使用 ALSE 進行輻射 EMI 測試

圖 9、10 和 11 所示為使用 CISPR 25 ALSE 方法（也稱天線方法）的典型裝置，針對表 6 中規(guī)定的頻率范圍進行輻射發(fā)射測量。

EUT 和電纜束放置在高出接地平面 50mm 的非導體介電材料（相對介電常數 εr 較低，不高于 1.4）之上。與接地平面前部平行的線束長度為 1.5m，EUT 與負載模擬器之間測試線束的總長度不超過 2m。測試線束的長段平行于接地平面朝向天線的邊緣，與邊緣相距 100mm。接地平面的要求是最小寬度和長度分別為 1m 和 2m，或者在整個設備下方加上 200mm，取其中的較大值。根據方程式 2 給定的近遠場轉換以及 1m 天線距離，在 EUT 的近場區(qū)域進行測量時，頻率必須低于 48MHz。

圖 9：單極拉桿天線（150kHz 至 30MHz）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測量裝置

圖 10：雙錐形天線（30MHz 至 300MHz）或對數周期天線（200MHz 至 1GHz）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測量裝置

圖 11：喇叭天線（1GHz 以上）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測量裝置

喇叭天線與 EUT 對齊，其他天線則放置在線束中點。執(zhí)行所有測量時，天線距離均為 1 米。頻率范圍為 150kHz 至 30MHz 的測量僅針對垂直天線極化執(zhí)行。頻率范圍為 30MHz 至 2.5GHz 的掃描同時針對水平極化和垂直極化執(zhí)行。

如前文所述，EMI 接收器與 AF 結合所檢測到的天線電壓可在天線位置產生電場強度。請注意，獨立的 AF 可用于水平和垂直極化，因此可以使用相應的 AF 值對每個極化方向進行測量。

輻射 EMI 預合規(guī)測試及結果

圖 12 為 LM53635-Q1 汽車級同步降壓轉換器 [9] 輻射發(fā)射測試裝置的照片。EUT 由汽車電池供電，正負供電線路均連接線路阻抗穩(wěn)定網絡 (LISN)。3.5A 阻性負載下的輸出為 3.3V。開關頻率為 2.1MHz，高于許多汽車系統所需的 AM 頻帶，同時啟用了擴頻調頻 (SSFM)。圖 13 至 16 顯示了使用各種測試天線通過 CISPR 25 5 類限值要求的測量結果。