【導讀】本文主要講解的是在微波暗室一致性測試之前構建低電磁干擾原型的關(guān)鍵步驟。其中包括設計低輻射的電路以及預兼容檢測。預兼容檢測包括使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對印刷電路板(PCB)版圖模型進(jìn)行仿真及EMI分析，再使用頻譜分析儀(SA)對原型PCB進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。最后，執行微波暗室測試驗證設計。
最低EMI電路設計
要確保低輻射發(fā)射(RE)，設計電路原理圖和PCB版圖時(shí)必須應用最佳實(shí)踐經(jīng)驗，包括為供電回路、USB數據線(xiàn)、以太網(wǎng)等信號添加鐵氧體磁珠以過(guò)濾EMI.此外，供電回路上適當放置充足數量的去耦合電容器可以最大限度地減少電源分配網(wǎng)絡(luò )阻抗，進(jìn)而降低數字負載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風(fēng)險。同時(shí)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的閉合回路補償網(wǎng)絡(luò )設計以實(shí)現穩定閉合回路，能夠確保電壓輸出可控，并最大幅度地降低開(kāi)關(guān)噪聲紋波幅度。噪聲紋波幅度降低可以顯著(zhù)抑制原型的EMI風(fēng)險。
要確保低輻射發(fā)射(RE)，設計電路原理圖和PCB版圖時(shí)必須應用最佳實(shí)踐經(jīng)驗，包括為供電回路、USB數據線(xiàn)、以太網(wǎng)等信號添加鐵氧體磁珠以過(guò)濾EMI.此外，供電回路上適當放置充足數量的去耦合電容器可以最大限度地減少電源分配網(wǎng)絡(luò )阻抗，進(jìn)而降低數字負載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風(fēng)險。同時(shí)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的閉合回路補償網(wǎng)絡(luò )設計以實(shí)現穩定閉合回路，能夠確保電壓輸出可控，并最大幅度地降低開(kāi)關(guān)噪聲紋波幅度。噪聲紋波幅度降低可以顯著(zhù)抑制原型的EMI風(fēng)險。
高頻或快上升/下降沿信號的PCB走線(xiàn)應參考連續回路(例如參考地平面)，以降EMI風(fēng)險。走線(xiàn)不能經(jīng)過(guò)任何分割平面和孔洞。如果信號需要通過(guò)過(guò)孔完成層間傳輸，緊鄰信號過(guò)孔位置應放置至少一個(gè)接地過(guò)孔，作為信號電流從接收端返回發(fā)射端的回流路徑。如果沒(méi)有適當的回流路徑，返回電流可能在PCB中隨意傳輸，成為潛在的EMI源。
出色的接地方案也是最大限度降低EMI的關(guān)鍵因素。所有PCB設計都必須避免接地回路，因為返回信號電流經(jīng)過(guò)時(shí)接地回路將形成輻射發(fā)射機。設計接地為寬參考面可以構建出色的接地方案。不同電路組(例如射頻、模擬和數字電路)的地平面應當物理隔離，并通過(guò)鐵氧體磁珠建立電路連接，以幫助防止高頻噪聲在電路組之間傳播。
完成PCB版圖設計后應執行仿真進(jìn)行EMI分析，以便在制造前確保PCB具有較低的輻射發(fā)射風(fēng)險。省略EMI仿真可能無(wú)法保證PCB的EMI性能，會(huì )導致重新設計。如果EMI仿真結果符合技術(shù)規范要求，設計人員即可開(kāi)始PCB制造，然后使用頻譜分析儀對原型PCB執行近場(chǎng)電磁掃描。EMI仿真和近場(chǎng)電磁掃描等預兼容檢測可以增加設計人員的信心，確信原型具有較低的EMI。完成預兼容檢測后，被測器件即可執行實(shí)際微波暗室EMI一致性測試。
仿真EMI分析
完成PCB版圖設計后，將版圖文件導入EMPro 2013.07 執行3D EMI仿真。選擇差分信號進(jìn)行有限元法(FEM)三維電磁場(chǎng)仿真。三維電磁場(chǎng)仿真是設置電磁邊界條件和模型網(wǎng)格尺寸并求解麥克斯韋方程的過(guò)程。為確保仿真結果精度，邊界尺寸應設為PCB厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應設為PCB寬度的1/5以下。運行三維電磁場(chǎng)的計算機需要配置16G以上的內存和100G以上的存儲容量，以確保分析順利進(jìn)行。
設置遠場(chǎng)傳感器捕獲發(fā)射電磁場(chǎng)，并利用EMPro的EMI仿真模版計算遠場(chǎng)發(fā)射功率，然后設置10m距離的電場(chǎng)探頭，繪制頻域響應圖。再執行時(shí)域有限差分法(FDTD)模式的三維電磁場(chǎng)仿真，并與FEM模式的仿真結果進(jìn)行對比。
參見(jiàn)30MHz~1GHz頻率的電場(chǎng)強度仿真圖(圖1)(電場(chǎng)強度單位dBμV，頻率單位GHz)，輻射功率電平(藍色曲線(xiàn)為FEM模式仿真，紅色曲線(xiàn)為FDTD模式仿真)低于約45dBμV的FCC最大閾值(綠色虛線(xiàn))。
圖1 仿真EMI圖
近場(chǎng)電磁測量
制成并組裝原型PCB后，使用頻譜分析儀對原型進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。連接頻譜分析儀的單匝線(xiàn)圈捕獲原型發(fā)射的近區電磁場(chǎng)。圖2是30MHz~1GHz頻率范圍的頻域信號(電磁場(chǎng)功率電平單位dB，頻率單位Hz)。
圖2 電磁掃描測量圖
400MHz附近時(shí)出現最大功率強度(-66.4dBm)的尖峰。作為近區傳感器的線(xiàn)圈在距離被測器件3英寸的范圍內移動(dòng)。30kHz的頻譜分析儀分辨率帶寬可以實(shí)現低本底噪聲(-80dBm)測量，因此尖峰(不同離散頻率的輻射)清晰可見(jiàn)。要增強原型通過(guò)微波暗室遠場(chǎng)(3m和10m)EMI一致性測試的信心，近區功率峰值應低于-65dBm。
EMI一致性測試
圖3為原型在微波暗室的3m遠場(chǎng)EMI一致性測試結果。紅線(xiàn)顯示的是CISPR 11A類(lèi)最大輻射發(fā)射功率電平：30MHz~1GHz頻率范圍內低于56dBμV。紅線(xiàn)下方的棕色曲線(xiàn)表示是德科技(原安捷倫)EMC指南中規定的保護頻段。輻射波的垂直和水平分量分別由藍色和綠色曲線(xiàn)表示。400MHz和560MHz頻率時(shí)出現兩個(gè)分別為38dBμV和37dBμV的功率峰值，均低于最大閾值。
圖3 3m輻射發(fā)射測量結果
總結
最后我們可以了解到，在電源的pcb設計中低EMI電路設計和預兼容檢測(例如三維EMI仿真和近場(chǎng)電磁掃描)十分重要，可以避免不必要的PCB重新制造，節省開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，并且能夠縮短微波暗室EMI一致性測試時(shí)間，確保電子器件按時(shí)甚至提前投放市場(chǎng)。
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