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EMI/EMC設計講座:傳導式EMI的測量技術(下)_高都電子PCB技

2019-08-27 19:14:10

「傳導式(conducted)EMI」是指部分的電磁(射頻)能量透過外部纜線(cable)、電源線、I/O互連界面,形成「傳導波(propagation wave)」被傳送出去。本文將說明射頻能量經由電源線傳送時,所產生的「傳導式噪聲」對PCB的影響,以及如何測量「傳導式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制規定。

 

傳導式EMI的限制
  
對EMI而言,濾波器是做何用途呢?表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制規定。此表中比較特殊的是,除了可用dBμV計量以外,也可以用mV來計量。這對那些討厭使用對數(logarithm)計算的設計者而言很便利。
  
在對數的定義里:db=20log10[V1/V2]  ,V1/V2是輸出入電壓的比值。所以,dBμV表示是以IμV為對數的比較基準。下式是mV轉換成dBμV的公式:

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

 

  EMI/EMC設計講座:傳導式EMI的測量技術(下)_高都電子PCB技

表一:傳導式EMI的限制

  
必須注意的是,FCC并沒有規定平均的限制值,只規定了「準峰值(quasi-peak)」。雖然,FCC有認可CISPR22的限制值。但是,FCC不允許兩者混用或并用。設計者必須擇一而從。不過,以目前的情況來看,FCC Part 15勢必會逐漸和CISPR 22完全一致的。

  
表二是dBμV與mV的快速轉換對查表,我們可以利用上述的公式來轉換dBμV、mV;或利用表二查得。
 

  EMI/EMC設計講座:傳導式EMI的測量技術(下)_高都電子PCB技

  表二:dBμV與mV的對查表
 


再觀察一下表一中的類別B,尤其是150 kHz至450 kHz,和450 kHz至500 kHz的區域。實際上,對CISPR而言,這是一個連續的區域,因為dBμV對log(f)的限制線在150 kHz到500 kHz的區域內是一條直線。在150 kHz至500 kHz之間,CISPR均限曲線(傳導式EMI)的任一點之dBμV值可由下式求出:
  
(dBμVAVG)= -19.07Хlog(ƒMHZ)+40.28
  
為了方便計算和記憶,上式可以改寫成:
  
(dBμVAVG)= -20Хlog(ƒMHZ)+40
  
在這個區域內的「準峰值限制」正好比「平均限制」高10dB。所以,在150 kHz至500 kHz之間,CISPR準峰值限制曲線(傳導式EMI的任一點之dBμV值可由下式求出:

)   
(dBμVQP)= -19.07Хlog(ƒMHZ)+50.28
  
同樣的,上式也可以改寫成:
  
(dBμVQP)= -20Хlog(ƒMHZ)+50
  
CISPR 22類別B在150 kHz至500 kHz之間的限制值,實際上是上述的化約式。 就數學定義而言,AХlog(ƒMHZ)+c是一條直線(如果水平軸具有對數刻度),其斜率為A,當頻率(f)為1MHz時,它通過c點。就CISPR 22類別B而言,雖然它的dBμV直線在500 kHz處被截斷,但是它的漸近線(asymptote)仍會通過40或50dBμV,這分別是「均限曲線」和「準峰值限制曲線」的c點(亦即,頻率為1MHz時的dBμV值)。
  
例如:當頻率為300 kHz時,CISPR 22類別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
  
因為準峰值限制比均限值多10 dB,所以它是60.25 dBμV。
  
比較表一中的準峰值限制,是否意味著當超過450 kHz時,FCC標準會比CISPR 22嚴格?首先,FCC標準是以美國國內的電源電壓為測量基準;而CISPR則是使用更高的電源電壓來測量。所以這是「淮橘成枳」的問題,不能相提并論。此外FCC雖然沒有定義均限值,但是當CISPR 22的準峰值限制和均限值之差超過6 dB以上時,它放寬了限制(約13 dB)。因此,在實務上,符合CISPR標準的產品也會符合FCC的標準。
  
有人說:「頻率大約在5 MHz以下時,噪聲電流傾向于以差模為主;但在5 MHz以上時,噪聲電流傾向于以共模為主。」不過這種說法缺乏根據。當頻率超過20 MHz時,主要的傳導式噪聲可能是來自于電感的感應,尤其是來自于輸出纜線的輻射。本質上這是共模。但對一個交換式轉換器而言,這并不是共模噪聲的主要來源。如表一所示,標準的傳導式EMI限制之頻率測量范圍是從150 kHz至30 MHz。為何頻率范圍不再向上增加呢?這是因為到達30 MHz以后,任何傳導式噪聲將會被主要的導線大幅地衰減,而且傳輸距離會變短。但纜線當然還會繼續輻射,因此「輻射限制」的范圍實際上是從30MHz到1GHz。

結語
  
來自電源電路的EMI是很難察覺的。因為工程師都習慣將電源供應器想象成一個「干凈的」電源,殊不知,越是習以為常的組件,越可能是會發射EMI的「黑盒子」。

 

 

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