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EMI/EMC設計講座:傳導式EMI的測量技術(下)

2014/10/09

Lee

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「傳導式（conducted）EMI」是指部分的電磁（射頻）能量透過外部纜線（cable）、電源線、I/O互連界面，形成「傳導波（propagation wave）」被傳送出去。本文將說明射頻能量經由電源線傳送時，所產生的「傳導式噪聲」對PCB的影響，以及如何測量「傳導式EMI」和FCC、CISPR的EMI限制規定。

傳導式EMI的限制
　　
對EMI而言，濾波器是做何用途呢？表一列出了FCC和CISPR 22的EMI限制規定。此表中比較特殊的是，除了可用dBμV計量以外，也可以用mV來計量。這對那些討厭使用對數（logarithm）計算的設計者而言很便利。
　　
在對數的定義里：db=20log10[V1/V2] ，V1/V2是輸出入電壓的比值。所以，dBμV表示是以IμV為對數的比較基準。下式是mV轉換成dBμV的公式：

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

表一：傳導式EMI的限制

　　
必須注意的是，FCC并沒有規定平均的限制值，只規定了「準峰值（quasi-peak）」。雖然，FCC有認可CISPR22的限制值。但是，FCC不允許兩者混用或并用。設計者必須擇一而從。不過，以目前的情況來看，FCC Part 15勢必會逐漸和CISPR 22完全一致的。

　　
表二是dBμV與mV的快速轉換對查表，我們可以利用上述的公式來轉換dBμV、mV；或利用表二查得。

　　表二：dBμV與mV的對查表
　

再觀察一下表一中的類別B，尤其是150 kHz至450 kHz，和450 kHz至500 kHz的區域。實際上，對CISPR而言，這是一個連續的區域，因為dBμV對log(f)的限制線在150 kHz到500 kHz的區域內是一條直線。在150 kHz至500 kHz之間，CISPR均限曲線（傳導式EMI）的任一點之dBμV值可由下式求出：
　　
(dBμVAVG)= -19.07Хlog(?MHZ)+40.28
　　
為了方便計算和記憶，上式可以改寫成：
　　
(dBμVAVG)= -20Хlog(?MHZ)+40
　　
在這個區域內的「準峰值限制」正好比「平均限制」高10dB。所以，在150 kHz至500 kHz之間，CISPR準峰值限制曲線（傳導式EMI的任一點之dBμV值可由下式求出：

）　　
(dBμVQP)= -19.07Хlog(?MHZ)+50.28
　　
同樣的，上式也可以改寫成：
　　
(dBμVQP)= -20Хlog(?MHZ)+50
　　
CISPR 22類別B在150 kHz至500 kHz之間的限制值，實際上是上述的化約式。就數學定義而言，AХlog(?MHZ)+c是一條直線（如果水平軸具有對數刻度），其斜率為A，當頻率（f）為1MHz時，它通過c點。就CISPR 22類別B而言，雖然它的dBμV直線在500 kHz處被截斷，但是它的漸近線（asymptote）仍會通過40或50dBμV，這分別是「均限曲線」和「準峰值限制曲線」的c點（亦即，頻率為1MHz時的dBμV值）。
　　
例如：當頻率為300 kHz時，CISPR 22類別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
　　
因為準峰值限制比均限值多10 dB，所以它是60.25 dBμV。
　　
比較表一中的準峰值限制，是否意味著當超過450 kHz時，FCC標準會比CISPR 22嚴格？首先，FCC標準是以美國國內的電源電壓為測量基準；而CISPR則是使用更高的電源電壓來測量。所以這是「淮橘成枳」的問題，不能相提并論。此外FCC雖然沒有定義均限值，但是當CISPR 22的準峰值限制和均限值之差超過6 dB以上時，它放寬了限制（約13 dB）。因此，在實務上，符合CISPR標準的產品也會符合FCC的標準。
　　
有人說：「頻率大約在5 MHz以下時，噪聲電流傾向于以差模為主；但在5 MHz以上時，噪聲電流傾向于以共模為主。」不過這種說法缺乏根據。當頻率超過20 MHz時，主要的傳導式噪聲可能是來自于電感的感應，尤其是來自于輸出纜線的輻射。本質上這是共模。但對一個交換式轉換器而言，這并不是共模噪聲的主要來源。如表一所示，標準的傳導式EMI限制之頻率測量范圍是從150 kHz至30 MHz。為何頻率范圍不再向上增加呢？這是因為到達30 MHz以后，任何傳導式噪聲將會被主要的導線大幅地衰減，而且傳輸距離會變短。但纜線當然還會繼續輻射，因此「輻射限制」的范圍實際上是從30MHz到1GHz。

結語
　　
來自電源電路的EMI是很難察覺的。因為工程師都習慣將電源供應器想象成一個「干凈的」電源，殊不知，越是習以為常的組件，越可能是會發射EMI的「黑盒子」。