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EMI/EMC设计讲座:传导式EMI的测量技术(下)

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「传导式（conducted）EMI」是指部分的电磁（射频）能量透过外部缆线（cable）、电源线、I/O互连界面，形成「传导波（propagation wave）」被传送出去。本文将说明射频能量经由电源线传送时，所产生的「传导式噪声」对PCB的影响，以及如何测量「传导式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制规定。

传导式EMI的限制
　　
对EMI而言，滤波器是做何用途呢？表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制规定。此表中比较特殊的是，除了可用dBμV计量以外，也可以用mV来计量。这对那些讨厌使用对数（logarithm）计算的设计者而言很便利。
　　
在对数的定义里：db=20log10[V1/V2] ，V1/V2是输出入电压的比值。所以，dBμV表示是以IμV为对数的比较基准。下式是mV转换成dBμV的公式：

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

表一：传导式EMI的限制

　　
必须注意的是，FCC并没有规定平均的限制值，只规定了「准峰值（quasi-peak）」。虽然，FCC有认可CISPR22的限制值。但是，FCC不允许两者混用或并用。设计者必须择一而从。不过，以目前的情况来看，FCC Part 15势必会逐渐和CISPR 22完全一致的。

　　
表二是dBμV与mV的快速转换对查表，我们可以利用上述的公式来转换dBμV、mV；或利用表二查得。

　　表二：dBμV与mV的对查表
　

再观察一下表一中的类别B，尤其是150 kHz至450 kHz，和450 kHz至500 kHz的区域。实际上，对CISPR而言，这是一个连续的区域，因为dBμV对log(f)的限制线在150 kHz到500 kHz的区域内是一条直线。在150 kHz至500 kHz之间，CISPR均限曲线（传导式EMI）的任一点之dBμV值可由下式求出：
　　
(dBμVAVG)= -19.07Хlog( MHZ)+40.28
　　
为了方便计算和记忆，上式可以改写成：
　　
(dBμVAVG)= -20Хlog( MHZ)+40
　　
在这个区域内的「准峰值限制」正好比「平均限制」高10dB。所以，在150 kHz至500 kHz之间，CISPR准峰值限制曲线（传导式EMI的任一点之dBμV值可由下式求出：

）　　
(dBμVQP)= -19.07Хlog( MHZ)+50.28
　　
同样的，上式也可以改写成：
　　
(dBμVQP)= -20Хlog( MHZ)+50
　　
CISPR 22类别B在150 kHz至500 kHz之间的限制值，实际上是上述的化约式。就数学定义而言，AХlog( MHZ)+c是一条直线（如果水平轴具有对数刻度），其斜率为A，当频率（f）为1MHz时，它通过c点。就CISPR 22类别B而言，虽然它的dBμV直线在500 kHz处被截断，但是它的渐近线（asymptote）仍会通过40或50dBμV，这分别是「均限曲线」和「准峰值限制曲线」的c点（亦即，频率为1MHz时的dBμV值）。
　　
例如：当频率为300 kHz时，CISPR 22类别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
　　
因为准峰值限制比均限值多10 dB，所以它是60.25 dBμV。
　　
比较表一中的准峰值限制，是否意味着当超过450 kHz时，FCC标准会比CISPR 22严格？首先，FCC标准是以美国国内的电源电压为测量基准；而CISPR则是使用更高的电源电压来测量。所以这是「淮橘成枳」的问题，不能相提并论。此外FCC虽然没有定义均限值，但是当CISPR 22的准峰值限制和均限值之差超过6 dB以上时，它放宽了限制（约13 dB）。因此，在实务上，符合CISPR标准的产品也会符合FCC的标准。
　　
有人说：「频率大约在5 MHz以下时，噪声电流倾向于以差模为主；但在5 MHz以上时，噪声电流倾向于以共模为主。」不过这种说法缺乏根据。当频率超过20 MHz时，主要的传导式噪声可能是来自于电感的感应，尤其是来自于输出缆线的辐射。本质上这是共模。但对一个交换式转换器而言，这并不是共模噪声的主要来源。如表一所示，标准的传导式EMI限制之频率测量范围是从150 kHz至30 MHz。为何频率范围不再向上增加呢？这是因为到达30 MHz以后，任何传导式噪声将会被主要的导线大幅地衰减，而且传输距离会变短。但缆线当然还会继续辐射，因此「辐射限制」的范围实际上是从30MHz到1GHz。

结语
　　
来自电源电路的EMI是很难察觉的。因为工程师都习惯将电源供应器想象成一个「干净的」电源，殊不知，越是习以为常的组件，越可能是会发射EMI的「黑盒子」。