第二章 EMC 基本觀念

第一節 介紹

關於 EMC 一個最基本的事實就是它不是魔術也不是巫術。它是關係於電流,電 場及磁場耦合,以及電磁場輻射的現象。在個個單一電子元件之互動關係是非常 複雜的,難以個別同時觀察到。為了要正確的了解到這些不同的問題,最好把整 個的複雜問題區分成小的,離散的問題以便能容易的了解。這樣就能應用簡單的 科學與工程原則來成功的解析。
此一章節將介紹 EMC 問題的一些基礎觀念。在能將整個的複雜問題區分成小 的,離散的問題並妥善解決之前,必須要先了解這些基礎觀念。許多 EMC 工程 師常用的方法是『試試看就知道 Try-it-and-see』。也就是說,在做根本原因分析 (Root cause analysis)時考慮到很多很小的東西(好像是說物理定律在此產品上會 不同似的)。當產品在 EMC 測試不通過時,會試著這裡加個電容,那裡加個 ferrite bead,或在別處加上個導電襯墊。最後,某些組合發生了作用,此產品通過了 EMC 測試。另外一種方式是使用『散彈槍 Shot gun』策略。以這種方式,設計 工程師把所有可能的濾波器、濾波電路、屏蔽設計都加上去,希望某些能發揮作 用。此種方式會增加產品之成本,更不會是最佳的設計。

第二節 耦合作用之發生機制 Coupling Mechanisms

耦合發生的兩種機制是電場耦合與磁場耦合。從雜訊源耦合到其有效輻射天線之 機制可能是電場、可能是磁場耦合,也可能是兩者皆有。要知道如何控制他們, 就要先了解這些耦合的機制,以及其會如何的影響產品設計。
第一項 電場耦合 Electric Field Coupling
電場耦合是因為位移電流(displacement current)之電容性效應而產生。亦即,我們 並沒有要電流流經某一特定方向,但是因為有一自然形成的寄生電容對電流提供 了一個低阻抗的路徑,此路徑之阻抗較設計上的電流路徑阻抗要低。電流永遠是 需要一個完整的環路,所以環路之阻抗是一個重要之因素。
例如說,圖 2-1 中顯示典型的 PC 之印刷線路板。一時脈緩衝器驅動一條線路, 該線路靠近一個裝有散熱器之大型 IC。當此線路佈線途經散熱器時,在線路佈 線與散熱器之間有一個寄生電容產生。同時在散熱器與時脈緩衝器之間也有寄生 電容之存在。(當然,在散熱器與接收器、與屏蔽、與系統之其他元件之間都會 有寄生電容,但是在本例中很小,因此不致影響 EMC 之特性。)此一電容之阻抗 為

 
 

 
電容量之大小決定於其幾何結構。而阻抗會隨頻率不同而異。在相同結構下,對越高頻率的諧波其阻抗越低。
再次提醒,所有的電流都必須要流經完整的環路以回到其源頭。在此例子裡,我 們希望對於所有諧波之電流,其電流路徑都是流經時脈緩衝器,經線路佈線到接 收端,然後再經由接地參考平面回到時脈緩衝器。然而在此例中,在線路佈線與 散熱器間之寄生電容,以及在散熱器與時脈緩衝器間之寄生電容,提供了比上述 路徑還要低阻抗的路徑,造成了有一部份之電流流經過散熱器。若我們沒有注意 到此一迴返電流路徑,則散熱器在體積上是比線路佈線要大多了的輻射器。因此 散熱器會成為一個有效率的輻射器,特別對於高頻段之諧波,造成了不必要的輻 射干擾,到最後就需要藉助屏蔽之機殼來隔離。
第二項 磁場耦合 Magnetic Field Coupling
磁場耦合是因為傳導電流(conduction current)之電感性效應而產生。在此例中, 我們希望電流能以某一特定方向流動,但是自然生成之寄生電感對電流提供了 一個比原來路徑要較低阻抗的路徑。因為電流必須總是要流經完整環路,故環路 阻抗再次地是一個重要的因素。
例如說,圖 2-2a 表示在一個印刷電路板上 的兩個貫穿孔,此貫穿孔穿過兩個完整平 面(假設說是電源與接地平面)。在此例 中,使用前面曾討論過之時脈緩衝器,不 同的是,現在線路佈線埋到板子的不同層 中間(如圖 2-2b),以改善前項討論之電場 耦合效應。通常線路佈線在有些位置必須 要改變佈線層以閃避其他之佈線或元 件,此信號電流就如圖 2-2b 所示流經貫穿 孔。

 

 
此例中,第二個貫穿孔接到一個內部非屏 蔽之纜線,例如磁碟機之排線。在第一個 貫穿孔之電流造成磁力線(Magnetic flux line),某些的磁力線被第二個貫穿孔擷 取,如圖 2-2c 所示。此一磁力線在第二 個貫穿孔感應出電流,而傳導至磁碟機之 排線。此一寄生互感對較高之諧波有較低 之阻抗,因此會較容易傳導電流至會造成 潛在輻射之路徑,而不走其原先設計之路 徑。(在第 6 及 7 章中還有描述)

 
再次強調電流必須要流經一封閉環路以 回到其源頭。假設說此一內部排線與時脈 緩衝器間也有足夠大之寄生電容存在,則 有一些電流會沿此路徑流過,如圖 2-2d。 寄生互感與寄生電容之組合造成高頻諧 波電流流經此一非屏蔽之排線,而輻射在 此一空間結構中。因此結構體需要更好的 屏蔽能力以阻擋此一輻射干擾,因此增加 了屏蔽外殼之結構與價格成本。

 

第三節 信號頻譜 Signal Spectra

信號之諧波頻譜在 EMC 設計考慮中是一個很重要的項目。基頻(Fundamental harmonic frequency)很少是會造成問題的頻率。大多數之 EMC 問題是來自於較高 之頻率諧波。
第一項 時脈信號之諧波頻率
由傅立葉(Fourier)分析,一個簡單方波之諧波頻率成分包含有基頻以及所有的奇 次諧波(Odd harmonics)。每一個別諧波之振幅大小為

 
圖 2-3 顯示的是一個 100MHz 之方波信號頻譜。振幅大小以 dB 表示。很明顯的 可以看到在較高頻率之諧波並不會很快的衰減。
此一例子中沒有偶數諧波,因為 duty cycle 剛好是 50%,並且此一方波之上升時 間與下降時間是相等的。在真實環境中極少有這種情形。Duty cycle 的一點小小 變動就會造成很大的偶數諧波。而即使 duty cycle 剛好是 50%,上升時間與下降 時間的差異也會造成偶數諧波。

 
前面之例子並未把脈波之上升/下降時間之效應考慮進去。事實上,前面之例子 是將上升與下降時間都當成為零。當把真實地上升與下降時間包括進來,較高頻 之諧波就會受到影響。圖 2-4 顯示的是一典型梯形脈波(trapezoidal pulse)之頻譜 包封線(envelop),依據其脈波寬度與上升及下降時間而變。因為越高頻率越容易 有效率的由線路佈線及機殼之小開孔輻射出去,所以要讓高頻諧波儘可能的越低 越好。如圖 2-4 所示,此脈波頻譜之振幅會隨著越高頻率而降低。在脈波寬度頻 率以上之頻譜會以 20dB/十度(decade)之速度降低,而在上升/下降時間頻率以上 會以 40dB/十度的速度降低。上升/下降時間越緩慢,第二轉折點就會在越低之頻 率發生,因此就會降低高頻之信號強度。很明顯地,脈波的上升及下降時間越慢, 此信號中所包含的高頻諧波成分就越低。

 
第二項 Hertz 與『每秒位元率 Bits-per-Second』
有時我們對於(例如)50M bit/秒 之信號及 50MHz 信號之間會有些混淆。這兩種 信號並不一樣,50M bit/秒 信號之基頻並不是 50MHz。圖 2-5 顯示一個 50M bit/ 秒 之方波以及一個 25MHz 之 Sine 波。事實上,方波之資料速率只是根據一個 位元寬度來決定的,也就是整個 Sine 波週期的一半。此意味著 100M bit/秒 之方 波其奇數諧波會在 50MHz、150MHz、250MHz、350MHz、等等。

 
第三項 非方波之數據信號 Non-Squarewave Data Signals
時脈信號一般都是方波(Square wave),但數據資料與位址資料則會隨著時間而變 動。其瞬間頻譜會隨著資料內容不同而變。基本之諧波成分類似方波,以 Sinc 形式之方程式[Sin(x)/x]變化。對一個隨機之資料序列以 max-hold 之功能紀錄其 頻譜變化,可得其包封線如圖 2-6 所示。其諧波包封線之峰值會與方波諧波一致。 然而,在任何之一瞬間,實際之諧波頻率與振幅將是在此包封線之下,且可能不 會剛好是方波之諧波頻率。
如前節所述,如果 duty cycle 不是剛好等於 50%,則在圖 2-6 之零點頻率位置就 會存在有非零的數值,其大小會隨著與 50% duty cycle 之偏移量而變。

第四節 諧振效應 Resonance Effects

大部分的 EMI 輻射並非寬頻帶(broad band),大多是窄頻帶(narrow band)之輻射。 在系統之某處會激勵出諧振。其可能是一條外部導線激勵出的諧振,因而變成有 效率的發射器,或是一內部之散熱器被激勵而變成發射器,或是許多其他物件被 激勵而在某一特定頻率變成有效之發射器。

 
諧振可能是一與實體空間大小有關之現象,或是與電路相關的現象。電路相關之 諧振是由於電容性與電感性阻抗元件大小相等且方向相反。能量反覆地在電容器 與電感器之間儲存。
與實體大小相關之諧振是由於導體之物理尺寸大小造成的。例如,一個在自由空 間的導線,當由其中心點激勵它時,其表現就像是一個雙極天線(Dipole Antenna)。當此天線之長度等於其激勵信號之二分之一波長時,天線之效率最 好。天線之實際長度決定了其諧振頻率。一般說來,長直導線會在半波長諧波頻 率之奇數倍諧振。
諧振會增加輻射之強度,因為它會讓輻射器更有效率。例如說,個人電腦的面板 顯示 LED。此 LED 通常位在金屬機殼之外面。若只靠它自己,LED 以及其相關 電路在其工作頻率(以及諧波)並不是一個有效率的發射器。在靠近 LED 顯示器 旁邊有一個塑膠門。此塑膠門並不是金屬機殼的一部份因此不會有 EMI 的問題。 但是,塑膠門的門閂是以金屬製成的,長約 30cm。即使說此金屬門閂並未接觸 到任何之 LED 電路部分,經由寄生電容與寄生電感還是會耦合能量到它上面, 使得它將 LED 電路中之 500-600MHz 之諧波信號有效率的發射出去。一個 30cm 長的導線之半波長諧振頻率點大約就是 500MHz,所以此一金屬門閂對此頻段之 諧波就是個有效的發射天線。這個就是一種不預期發生之諧振將輻射強化的例 子。
一個外殼/空洞的空間則會產生空間諧振(Cavity Resonance)。在一個理想的傳導 金屬牆邊,因為邊界條件(boundary condition)的關係其電場之正切值(tangential electric field)為零。在一個空的矩形空間中,只要其內部之任一尺寸等於半波長 之整數倍,就會造成駐波(standing wave)的發生,也就是諧振。對一個空的矩形 體而言,其空間諧振點頻率為

 
方程式(2.3)只能應用在空的矩形體上。一般說來,電子與電腦產品內部包括許多 電路板、導線及電源供應器等,這些都會改變其邊界條件因此會改變諧振頻率。 若一個殼子之內部只有很少之空間,則可以支持駐波產生的空間就有限,因此內 部空間諧振的程度就會較低。
第一項 魔術及運氣
EMC 會被視為是魔術的一個主要理由就是因為諧振的效應。這些一般並不僅是 來自於長直導線或是空間諧振,而是當寄生元件之因素包括進來以後,實體諧振 與電路諧振間之交互作用所產生的。如先前提到,這些寄生元件很難或是根本不 可能以簡單封閉形式之方程式計算得出來,所以通常是忽略掉他們的存在,但不 管我們是不是忽略它,它永遠是存在的。
例如說,在過去,在設計上通常會故意不將每一個螺絲接地孔接到 PCB 之參考 接地平面。通常在 PCB 上留一個焊點位置,使得在稍後測試時若發生問題時再 依狀況加上電容、零歐姆電阻、或是 ferrite bead。不幸的是,這樣會製造出比其 解決掉的還要多的問題出來,因為即使是零歐姆電阻都會增加其電感(阻抗)而使 得在高頻時接觸不良。
傳統上,工程師會試用不同數值之電容、ferrite,等等,直到輻射狀況降低至可 通過測試規範。通常,當試用不同之組合元件時,會看到所要對策之信號降低了, 但是另一個信號頻率反而升高至限制值之上。不知不覺地,他們只是以所加上之 電路元件去微調(tuning)這些不同的寄生元件之諧振點,直至幸運地試到一個組 合的諧振狀況如其所願。
很明顯的,這種方式並不是太好。與其依靠運氣及在實驗室中花費許多時間找尋 不同之電路組合,不如在設計上就考慮這些寄生電路元件、可能的諧振、以及整 體之等效電路,將可讓設計者在第一次就獲得成功。

第五節 潛在的干擾源頭

要在 EMC Chamber 中了解潛在的干擾源頭,所要考慮的產品要裝在一個理想的 外殼中。任何離開此理想外殼的東西都是可能的干擾源。
第一項 屏蔽之產品
雜訊能量有兩種管道離開屏蔽之外殼。能量可以由金屬外殼之開孔輻射出去或是 經由外殼之 I/O 導線傳導出去。
外殼的開孔通常是通氣孔、金屬元件之接縫處、其他之門或窗。雜訊能量會由這 些開孔溢出,以複合之形式導致在機殼之外部或是導線上產生 RF 電流。這些電流會導致輻射干擾,並視外部結構之諧振頻率而增減其發射效率。此些輻射並不 一定是直接由縫隙、開孔等離開而輻射至其接收天線。這是為什麼輻射常常看來 是從某個並沒有縫細的角落來的,或是從一個沒有接縫的金屬板傳出來的。輻射 的方向是由整體外部系統條件決定的,並不是由洩漏點決定的。
I/O 導線可以直接傳遞內部信號至機殼之外。這些信號可能是功能上所要的信 號,但是常常會有不必要的信號耦合至 I/O 導線或連接器之信號腳之上。一旦這 些不必要的信號傳到了外部的導線,就會因為外部導線之長度與形狀等諧振而輻 射出去。
長直導線有其諧振頻率,當此導線彎折時,諧振頻率會因 RF 電流之分佈改變而 發生變化。一般說來,EMI 測試程序上要求,對所有的頻率點,要將外部導線放 在不同之位置以尋找其最大輻射位置。此方式即是改變導線之諧振頻率點以使其 變成更有效率的輻射天線。
第二項 非屏蔽之產品
有些產品並不包括金屬外殼。一般是對於低單價之產品若使用金屬外殼就太貴 了。在此類場合,PC 板可能直接的輻射,或是信號可能耦合到連接之導線。
來自於 PC 板的輻射可能很嚴重。耦合到散熱片及外部線路佈線之能量都可能造 成輻射。通常,此類產品對成本很敏感,常使用單層板或雙層板之電路構成,因 而少了完整電源平面及接地平面之優勢。功能上必要信號與其迴返電流會構成一 迴路,此迴路可能產生直接的輻射。

第六節 必要信號之內涵

關於輻射之一個重要之基本觀念是『電流導致輻射,而非電壓』。工程師通常是 專注在電壓波形之量測而非電流。對於純電阻電路這樣是足夠的,但我們我談論 的很少是這種情形。CMOS IC 的電流波形常常是大不相同的。此外,當有些非 線性裝置存在時,例如箝位二極體(clamping diodes),其電流量,特別是在高頻 段,可能是非常大的。
高頻比低頻更容易輻射。這是因為在較高頻率時諧振效應及寄生元件較有效率之 故。在一開始之時,若一個能量不被創造出來,它就不會耦合到其他的寄生元件, 當然也就不會造成諧振而變成輻射了。控制輻射最節省且有效之方法就是在其源 頭,以及控制信號之電流頻譜。第六章會有更詳細的討論。

第七節 總結

EMC 不是一種魔術。要有效的控制 EMC 輻射需要有對信號諧波頻譜之了解,以 及寄生電容與寄生電感如何能造成電流流過不應該的區域。當信號電流流過他們 不應去的金屬表面時,這些金屬元件之自然諧振會大大的增強輻射現象。
 

 
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