一、輻射發射測試實質

輻射發射測試實質上就是測試產品中兩種等效天線所產生的輻射信號，第一種是等效天線信號環路，環路是產生的輻射等效天線，這種輻射產生的源頭是環路中流動著的電流信號（這種電流信號通常為正常工作信號，它是一種差模信號，如時鐘信號及其諧波），如圖1所示。

圖1 環路成為等效輻射天線

如果環路面積為S的環路中流動著電流強度為I、頻率為F的信號，那么，在自由空間中，距環路D處所產生的輻射強度為：

式中，E 為電場強度，單位為 μV／m；S 為環路面積，單位為cm2；I 為電流強度，單位為A；F為信號頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m。電子產品中任何信號的傳遞都存在環路，如果信號是交變的，那么信號所在的環路都會產生輻射，當產品中信號的電流大小、頻率確定后，信號環路產生的輻射強度與環路面積有關，因此，控制信號環路的面積是控制EMC問題的一個重要的課題。

產品中產生無意輻射的另一種等效天線模型是 單極天線（如圖2（a）所示），或對稱偶極子天線（如圖2（b）所示），這些被等效成單極天線或對稱偶極子天線的導體通常是產品中的電纜或其他尺寸較長的導體。這種輻射產生的源頭是電纜或其他尺寸較長的導體中（等效天線）流動著的共模電流信號。它通常不是電纜或長尺寸導體中的有用工作信號，而是一種寄生的“無用”信號，研究這種產生共模輻射的共模電流大小是研究輻射發射問題的重點。

圖2 單極天線和偶極子天線輻射模型

如圖2所示，如果在天線上流動著電流強度為I、頻率為F的信號，那么，在距天線D處所產生的輻射強度為：當F≥30 MHz，D≥1 m并且L＜λ／2時，

當L≥λ／2時，

上述式中，E為電場強度，單位為μV／m；I為電流強度，單位為μA；F為信號頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m；L為電纜長度，單位為m。在電子產品中，除了產品功能電路原理圖所表述的信息外，還存在非常多未知的信息，如信號線與信號線之間的寄生電容、寄生互感，信號線與參考地之間的寄生電容，信號線的引線電感，等等。這些參數都是頻率相關參數，而且值都很小，在直流或低頻情況下，通常被設計者忽略，但是在輻射發射所考慮的高頻范圍內，這些參數將會產生越來越重要的影響。

也是這些原因使得產品中的這些等效天線（電纜或長尺寸導體）中寄生著一種非期望的共模電流，它的電流強度很小（通常在mA級以下或μA級），但是它是產生產品輻射發射的主要原因。通過大量的實踐證明大部分產品中的輻射發射問題產生于產品中這種等效的單極天線或偶極子天線，特別是隨著多層PCB技術應用，信號的環路面積被控制得越來越小，正常工作信號環路所產生的輻射越來越有限。對于軍標和汽車電子相關產品的輻射發射測試，標準會要求在試驗臺上鋪設參考接地板，并把EUT包括EUT上的電纜（等效輻射發射天線）放置在離該參考接地板5 cm高的絕緣支架上，這塊參考接地板將對輻射發射結果產生很大的影響。在理論上，當EUT中成為輻射發射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度時（如圖3所示）。

圖3 置于參考接地板上的電纜輻射

發射被參考接地板衰減當h≤λ／10時，

當h＞λ／10時，

中，h為輻射發射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度，單位為（m）；E0 為輻射發射等效天線的電纜在自由空間中的輻射強度，單位為（V／m）；E（h）為輻射發射等效天線的電纜放置在離參考接地平面h的高度時向空間輻射強度，單位為（V／m）；λ為波長，單位為（m）。

根據單極天線和偶極子天線輻射模型的輻射原理，既然形成單極天線和偶極子天線輻射的原因是天線上的共模電流（對應到產品中就是電纜上或長尺寸導體上的共模電流），那么在軍標和汽車電子相關標準中規定的輻射發射測試條件下，某些被測產品中等效天線上同樣大小的共模電流，在同等測試距離的情況下，將比其他標準規定的輻射發射測試條件下所測得的輻射發射更低。

CISPR25標準中規定的輻射發射限值和產品中等效單極天線和偶極子天線產生輻射發射所需要的共模電流大小的關系見表1。表1 CISPR25標準中規定的輻射發射限值和產品中等效單極天線和偶極子天線產生輻射發射所需要的共模電流大小的關系？

而EN55022或CISPR22標準中規定的輻射發射限值和產品中等效單極天線和偶極子天線產生輻射發射所需要的共模電流大小的關系見表2。

表2 EN55022或CISPR22標準中規定的輻射發射限值和產品中等效單極天線和偶極子天線產生輻射發射所需要的共模電流大小的關系。

二、傳導騷擾測試實質

LISN是電源端口傳導騷擾測試的關鍵設備，從圖4中可以看出，接收機接于LISN中的1 kΩ的電阻與地之間，當接收機與LISN進行互連后，接收機信號輸入口本身的阻抗50 Ω與LISN中的1 kΩ電阻處于并聯狀態，其等效阻抗接近于50 Ω，由此也可以看出，電源端口傳導騷擾的實質就是測試50 Ω 阻抗（這個阻抗由LISN中的1 kΩ的電阻與接收機的輸入阻抗并聯而成）兩端的電壓。

當阻抗50 Ω一定時，電源端口傳導騷擾的實質也可以理解為流過這個50 Ω阻抗的電流的大小。在實際產品中有兩種電流會流過這個50 Ω阻抗，一種是圖4 中的IDM，另一種是圖4中的 ICM。無論是IDM還是ICM，都會在接收機中顯示出測試值，而接收機本身無法判斷是哪種電流引起的傳導騷擾。這需要設計者去控制與分析。控制產品中的騷擾電流不流過LISN和接收機并聯組成的50 Ω阻抗是解決電源端口傳導騷擾問題的關鍵。通過大量的實踐證明，大部分的電源端口傳導騷擾問題產生于ICM，它是一種共模電流，分析其路徑和大小有著極其重要的意義。

圖4 引起電源端口傳導騷擾的電流

電流探頭是信號端口傳導騷擾測試的關鍵設備。圖5是信號端口傳導騷擾測試配置圖，從圖5 中可以明確看到電流探頭實質上測試的就是EUT電纜上的共模電流。當然與單極天線或偶極子天線模型產生輻射發射一樣，引起信號端口傳導騷擾的共模電流通常不是信號端口上的正常工作電流信號，而是一些“無意”的共模電流引起的。可見，信號端口傳導騷擾測試實質上與輻射發射測試中因產品中的電纜或長尺寸導體產生的等效單極天線或偶極子天線模型而產生的輻射發射是一致的，只是頻段上不一樣。

圖5 信號端口傳導騷擾測試配置圖

三、ESD抗擾度測試實質

圖6 某一產品進行ESD測試時的ESD放電電流分布路徑

從ESD測試配置描述可以看出，在進行ESD測試時，需要將靜電槍的接地線接至參考接地板（參考接地板接安全地），EUT放置于參考接地板之上（通過臺面或0．1 m高的支架），靜電放電槍頭指向EUT中各種可能會被手觸摸到的部位或水平耦合板和垂直耦合板，這就決定了ESD測試是一種以共模為主的抗擾度測試，因為ESD電流最終總要流向參考接地板。ESD干擾原理可以從兩方面來考慮。首先，當靜電放電現象發生在EUT中被測部位時，伴隨著ESD放電電流也將產生，分析這些ESD放電電流的路徑和電流大小具有極其重要的意義。

值得注意的是，ESD接觸放電電流波形的上升沿時間會在1 ns以下，這意味著ESD是一種高頻現象。ESD放電電流路徑與大小不但由EUT的內部實際連接關系（這部分連接主要在電路原理圖中體現）決定，而且還會受這種分布參數的影響。圖6表達了某一產品進行ESD測試時的ESD放電電流分布路徑。圖6中的CP1、CP2、CP3分別是放電點與內部電路之間的寄生電容、電纜與參考接地板之間的寄生電容和EUT殼體與參考接地板之間的寄生電容。這些電容的大小都會影響各條路徑上的ESD電流大小。

如果有一條ESD電流路徑包含了產品的內部工作電路，那么該產品在進行ESD測試時受ESD的影響就會很大；反之則產品更容易通過ESD測試。可見，如果產品的設計能避免ESD共模電流流過產品內部電路，那么這個產品的抗ESD干擾的設計是成功的，ESD抗擾度測試實質上包含了一個瞬態共模電流（ESD電流）流過產品（瞬態共模電流）干擾正常工作電路的原理。

其次，ESD測試時所產生的ESD電流還伴隨瞬態磁場，當這種時變的磁環經過電路中的任何一個環路時，該環路中都會產生感應電動勢，從而影響環路中的正常工作電路。四、共模傳導性抗擾度測試實質共模抗擾度測試以共模電壓的形式把干擾疊加到被測產品的各種電源端口和信號端口上，并以共模電流的形式注入到被測產品的內部電路中（產品的機械結構構架對EFT／B共模電流的路徑與大小起著決定性的作用，或直接以共模電流的形式注入到被測產品的內部電路中，共模電流在產品內部傳輸的過程中，會轉化成差模電壓并干擾內部電路正常工作電壓（產品電路中的工作電壓是差模電壓）。

對于單端傳輸信號，如圖1所示，當同時注入到信號線和GND地線上的共模干擾信號進入電路時，在IC1的信號的端口處，由于S1于GND所對應的阻抗不一樣（S1 較高，GND較低），共模干擾信號會轉化成差模信號，差模信號存在于S 1 與GND之間。這樣，干擾首先會對IC1的輸入口產生干擾。濾波電容C的存在，使IC1 的第一級輸入受到保護，即在IC1 的輸入信號端口和地之間的差模干擾被C濾除或旁路（如果沒有C的存在，可能干擾就會直接影響IC1的輸入信號），然后，大部分會沿著PCB中的低阻抗地層從一端流向地層的另一端，后一級的干擾將會在干擾電流流過地系統時產生（當然這里忽略了串擾的因素，串擾的存在將使干擾電流的流徑路徑復雜化，因此串擾的控制在EMC設計中也是非常重要的一步）。

圖7共模干擾電流流過地阻抗時產生的壓降

其中，圖7中的Z0V表示PCB中兩個集成電路之間的地阻抗，US表示集成電路IC1向集成電路IC2傳遞的信號電壓。共模干擾電流流過地阻抗 Z0V時，Z0V的兩端就會產生壓降 UCM≈Z0V Iext。該壓降對于集成電路IC 2 來說相當于在IC 1 傳遞給它的電壓信號 U S 上又疊加了一個干擾信號U CM，這樣IC 2 實際上接受到的信號為U S＋U CM，這就是干擾。干擾電壓的大小不但與共模瞬態干擾的電流大小有關，還與地阻抗 Z0V的大小有關。當干擾電流一定的情況下，干擾電壓UCM的大小由Z0V決定。也就是說，PCB中的地線或地平面阻抗與電路的瞬態抗干擾能力有直接影響。

例如，一個完整（無過孔、無裂縫）的地平面，在100 MHz的頻率時，只有3．7 mΩ的阻抗。即使有100 A的瞬態電流流過3．7 mΩ 的阻抗，也只會產生0．37 V的壓降，這對于3．3 V的TTL電平的電路來說，是可以承受的，因為3．3 V的TTL電平總是要在0．8 V以上的電壓下才會發生邏輯轉換，這已經是具有相當的抗干擾能力了。又如，流過電快速瞬變脈沖群干擾的地平面存在1 cm的裂縫，那么這個裂縫將會有1 nH的電感，這樣當由100 A的電快速瞬變脈沖群共模電流流過時，產生的壓降：V＝ ｜ L×dI／dt｜ ＝1 nH×100 A／5 ns＝20 V20 V的壓降對3．3 V電平的TTL電路來說是非常危險的，可見PCB中地阻抗對抗干擾能力的重要性。

實踐證明對于3．3 V的TTL電平邏輯電路來說，共模干擾電流在地平面上的壓降小于0．4 V將是安全的；如果大于2．0 V將是危險的。對于2．5 V的TTL電平邏輯電路，這些電壓將會更低一點（0．2V和1．7V），從這個意識上，3．3V TTL電平的電路比2．5V電平的TTL電路具有更高的抗干擾能力。

對于差分傳輸信號，當共模電流ICM流過地平面時，必然會在地平面的阻抗Z0V兩端產生壓降，當共模電流ICM一定時，地平面阻抗越大，壓降越大。像單端信號被干擾的原理一樣，這個壓降猶如施加在差分線的一根信號線與參考地之間，即圖8中所示的 UCM1、UCM2、UCM3、UCM4。

圖8 共模干擾電流對差分電路的干擾原理

由于差分線對的一根線與參考地之間的阻抗Z1、Z2，接收器與發送器的輸入／輸出阻抗Z S1、Z S2，總是不一樣的（由于寄生參考的影響，實際布線中不可能做到兩根差分線對的對地阻抗一樣），從而造成UCM1、UCM2、UCM3、UCM4的值也不相等，差異部分即轉化為差模干擾電壓Udiff，對差分信號電路產生干擾。可見，對于差分電路來說，地平面的阻抗也同樣重要，同時PCB布線時，保證差分線對的各種寄生參數平衡一致也很重要。

五、差模傳導性抗擾度測試實質

差模傳導性抗擾度測試原理非常簡單，測試時，差模干擾電壓直接疊加在正常工作電路上，然后觀察電路工作是否正常。由于單一的差模傳導性抗擾度測試通常都是低頻的測試，而且都是針對瞬態干擾的抗擾度測試，這樣傳遞干擾路徑的分析也比較容易，因為較小的寄生參數不會對低頻信號傳輸產生較大的影響。

六、差模共模混合的傳導性抗擾度測試實質差模共模混合的傳導性抗擾度測試主要是指，在傳導性抗擾度測試中，既要進行差模測試又要進行共模測試，或在差模過程中既有共模的干擾直接注入到產品被測端口上，又有差模的干擾直接注入到產品被測端口上的傳導性抗擾度測試。
責任編輯人：CC