某產(chǎn)品容性耦合導(dǎo)致產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)案例
1. 問(wèn)題描述
某產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試輻射發(fā)射時(shí)，在1MHz-5MHz頻段輻射發(fā)射裕量不足，在50MHz-100MHz頻段輻射發(fā)射超標(biāo)15dB，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)不通過(guò)。
圖1 1MHz-100MHz輻射發(fā)射超標(biāo)
2. 故障診斷
整機(jī)為金屬屏蔽機(jī)箱，機(jī)箱上無(wú)開(kāi)孔，上下殼體縫隙有導(dǎo)電橡膠條，確認(rèn)機(jī)箱屏蔽良好。查看超標(biāo)頻譜，根據(jù)頻率與波長(zhǎng)關(guān)系，1MHz-5MHz和50MHz-100MHz頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)只有線(xiàn)纜長(zhǎng)度與其可比擬，因此懷疑線(xiàn)纜產(chǎn)生的問(wèn)題。
系統(tǒng)共有AC220V電源線(xiàn)、RS422信號(hào)線(xiàn)、射頻信號(hào)線(xiàn)共三根I/O線(xiàn)纜，其中射頻信號(hào)線(xiàn)為屏蔽線(xiàn)，一端連接天線(xiàn)，一端與設(shè)備連接，屏蔽層與金屬連接器包括機(jī)箱都為360°端接，屏蔽良好。AC220V電源線(xiàn)和RS422信號(hào)線(xiàn)為普通線(xiàn)纜，因?yàn)锳C220V電源加裝有電源濾波器，因此，開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的1MHz-5MHz電磁干擾可以排除電源線(xiàn)問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)以上分析，懷疑產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)與RS422信號(hào)線(xiàn)有關(guān)，拔除RS422信號(hào)線(xiàn)，測(cè)試頻譜如圖2所示。
圖2 拔掉RS422線(xiàn)纜30MHz-100MHz輻射發(fā)射
從圖2可以看出，拔掉R422線(xiàn)纜后50MHz-100MHz頻段電磁干擾消失，因此，確定引起50MHz-100MHz輻射發(fā)射的為RS422信號(hào)線(xiàn)。
3. 原因分析
打開(kāi)機(jī)箱，查看整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
圖3 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布線(xiàn)
從圖3可以看出，產(chǎn)品AC220V電源輸入、RS422信號(hào)線(xiàn)、電源模塊DC輸出三根線(xiàn)纜捆扎在一起平行布線(xiàn)，其中RS422內(nèi)部跳線(xiàn)長(zhǎng)度約300mm，初步懷疑信號(hào)跳線(xiàn)耦合AC輸入和DC輸出的干擾導(dǎo)致問(wèn)題。
開(kāi)關(guān)電源工作在高頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，其在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，而開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出線(xiàn)纜，會(huì)成為電磁干擾的重要耦合途徑。RS422信號(hào)線(xiàn)和開(kāi)關(guān)電源輸入輸出線(xiàn)困扎在一起，此時(shí)兩者之間會(huì)產(chǎn)生容性耦合，如圖4所示。
圖4. 容性耦合串?dāng)_原理
從圖4可以看出，I/O接口RS422信號(hào)線(xiàn)會(huì)耦合電源輸入輸出線(xiàn)上的干擾，從而引起RS422信號(hào)線(xiàn)的輻射。將RS422跳線(xiàn)與AC輸入及DC輸出的跳線(xiàn)從空間上分開(kāi)，如圖5所示。
圖5 RS422信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)分開(kāi)
整改后合攏整機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。
圖6 RS422信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)分開(kāi)輻射發(fā)射
從圖6可以看出，此時(shí)雖然50MHz-100MHz干擾頻率下降，但同時(shí)新增50MHz和200MHz窄帶干擾，在圖中是有規(guī)律的頻點(diǎn)，判斷是時(shí)鐘信號(hào)的諧波。查看單板，主板上有25MHz晶振，調(diào)整后的RS422信號(hào)線(xiàn)正好布置在晶振之上，產(chǎn)生耦合所致，如圖7所示。
圖7 RS422信號(hào)線(xiàn)與25MHz晶振耦合原理
根據(jù)以上分析及驗(yàn)證，RS422信號(hào)線(xiàn)跳線(xiàn)較長(zhǎng)，極易耦合系統(tǒng)內(nèi)部線(xiàn)纜、器件的噪聲從而導(dǎo)致輻射發(fā)射問(wèn)題。
4. 整改措施
將RS422信號(hào)跳線(xiàn)與AC220V輸入及DC輸出、電源模塊接口以及主板從空間上隔離，從屏蔽殼體的電源模塊上方引到I/O接口，如圖8、圖9所示。
圖8 隔離RS422信號(hào)線(xiàn)和電源示意圖
圖9 隔離RS422信號(hào)線(xiàn)和電源實(shí)物圖
5. 實(shí)踐效果
按以上方案整改后，分別測(cè)試10KHz-30MHz和30MHz-200MHz頻段輻射發(fā)射，如圖10所示。
圖10 隔離RS422信號(hào)線(xiàn)后輻射發(fā)射
從圖10可以看出，整改后1MHz-5MHz開(kāi)關(guān)頻率諧波和50MHz-100MHz幅度降低15dB以上，實(shí)驗(yàn)通過(guò)。
【總結(jié)】
人人都說(shuō)EMC是黑匣子，是玄學(xué)，因?yàn)楹茈y確定干擾的機(jī)理是什么，很多問(wèn)題都讓人莫名其妙，匪夷所思。典型的如線(xiàn)纜平行布線(xiàn)，咋一看兩根線(xiàn)纜之間相互絕緣，相安無(wú)事，但實(shí)際上，由于線(xiàn)-線(xiàn)間的電磁場(chǎng)耦合，可能會(huì)觸動(dòng)電磁干擾的逆鱗。本案例產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)，經(jīng)過(guò)縝密的診斷和分析，為產(chǎn)品線(xiàn)-線(xiàn)間容性耦合所致，后將線(xiàn)纜分類(lèi)布線(xiàn)成功化解。本案例的方法和思路啟示我們，單板、系統(tǒng)布線(xiàn)時(shí)線(xiàn)間近場(chǎng)耦合決不可等閑視之，否則可能一招不慎，滿(mǎn)盤(pán)皆輸。善哉，EMC是黑匣子乎？！沒(méi)掌握思路和方法，肯定是，反之，豈會(huì)是！
