EMC中的定量分析与定性分析

翅膀

今天有工程师问到我，在解决他们EMC问题时，能不能进行问题的定量分析？
何为定量分析？
我们大家针对EMC是为了解决个案问题，又没有这个财力和人力去搞EMC基础研究。对定量分析还还是感觉比较模糊。

shuangcong

EMC的东西进行定量分析是肯定没问题的，不然测试怎么能够进行下去，怎么判断是不是超标。

欢迎关注的朋友参加本周小小家的聚会，我的演讲正是在尝试在这个上面给一个可行的方案。

本人不能提供演讲文稿。

翅膀

引用第1楼shuangcong于2009-02-18 15:52发表的“”:
EMC的东西进行定量分析是肯定没问题的，不然测试怎么能够进行下去，怎么判断是不是超标。

但一位工程师和我说的定量分析要达到的是，能用公式推算出的等。类同于基础研究的。而测试的EMC数据我们只是认为是定性分析而已。

不过本人感觉定量分析现在观念比较模糊。

amo

我也期待从老余那儿 偷学一些这方面的知识。

孔今

对于EMC来说，定量分析就是理论分析，定性分析就是经验判断。

taybi

有意义么?  现在的仿真不正朝那方面努力吗?

norman2799

给你一个定量分析的 案例 ,摘自 <<EMC设计与测试案例分析 第二版>>

3.2.9  案例24 ：是环路引起的辐射发射吗?
[现象描述]
某民用产品的辐射发射测试结果如图××所示

图×× 某民用产品的辐射发射测试结果
从图××所示的频谱图可以看出，该产品的辐射发射超标频点为，125MHz 和170MHz.。
[原因分析]

图×× 产品构架示意图
该产品构架如图××所示，产品主要由两块PCB 、一个PCB互联连接器和一根通信电缆组成，产品中的PCB1与PCB2之间采用连接器互联，连接器中所传输信号的最高频率为25MHz，电平为2.5V，工作电流约为25mA，连接器中的针间距为2mm，连接器长度为2cm，则连接器中的信号针与其回流针所组成的环路面积为0.4cm2  。对于高速信号来说这似乎是一个不小的环路，根据电磁场的基本原理，电流流过环路就会产生一定的磁场，交变电流流过环路就是产生可变的磁场，并引起电磁场辐射，这是非常简单的原理。由此可见，此环路会产生一定的辐射，这是本产品设计的一个缺陷，这种环路在自由空间中产生的辐射强度可以用图××中所示的公式来计算。

图××  电流流过还礼引起辐射
图××公式中:
E μ V/m为自由空间中离环路距离为Dm 处的电场强度，单位为μ V/m （Dm > 48 / FMHz);
Dm 为距离环路的距离，单位为m；
FMHz：为环路中电流的频率，单位为MHz；
S cm2为环路面积，单位为cm2;
I A为环路中的电流大小，单位为A;

根据，本产品的一些基本信息，可以得到25MHz（矩形波）频率工作信号电流在125MHz处的谐波电流有效值I 5A为：
I 5A＝0.45×25m A/5=2.25mA
在170MHz处的谐波电流有效值I 7A为：
I 7A＝0.45×25m A/7=1.60mA

注： 谐波电流大小的计算方法参考书籍《电子产品设计EMC风险评估》第一章

再计算此环路在125MHz和170MHz频率下，距离环路3m（3m法辐射发射测试距离）处所产生的差模辐射分别如下：
125MHz处的辐射发射强度：
E5μ V/m= 1.3  ×S cm2×I A×FMHz ×FMHz /Dm
                     ＝1.3×0.4×0.00225×125×125/3=18.2μV/m
18.2μV/m转成分贝值为  25.2d B μV/m.
170MHz处的辐射发射强度：
E7μ V/m= 1.3  ×S cm2×I A×FMHz ×FMHz /Dm
               ＝1.3×0.4×0.0016×170×170/3=24μV/m
24μV/m转成分贝值为  27.6d B μV/m.
从以上计算结果可知，即使考虑到辐射发射测试时实验室地面反射电磁波的叠加效应， 这种环路引起的辐射也没有超过该产品相关标准所规定的限值（3m处为40d B μV/m）。可见，这种长为2cm，间距为2cm的连接器直接传输25MHz的矩形波信号虽然是个EMC设计缺陷，但是它造成的辐射发射并没有超标。
那是什么原因造成的辐射超标呢，与这个环路有关吗？除了以上环路引起的差模辐射之外，还有另一种辐射发射更值得关注，图**是这种共模辐射产生的原理图。

图×× 共模辐射产生的原理
图××中ΔV是PCB1中GND和PCB2中GND之间的电位差,这种电位差是由连接器上25MHz矩形波高速信号回流造成的。它的值可以用ΔV＝2πFLI来计算，其中F是电流信号的频率，本案例中具体为25MHz矩形波的5次谐波频率和7次谐波频率，分别为F5=125 MHz和F7=170MHz；L是2cm长连接器每个针的寄生电感，约为20n H(估算值为10n H/cm)；I为25MHz矩形波的5次谐波电流和7次谐波电流，分别为I5=2.25mA和I7=1.6mA；这样，在125 MHz和170MHz频率下，PCB1板和PCB2 板GND之间的电位差ΔV5和ΔV7分别为：
ΔV5＝2πF5LI5＝2π×125 MHz×20n H×2.25mA≈35m V;
ΔV7＝2πF7LI7＝2π×170 MHz×20n H×1.60mA≈34m V;
ΔV5 ， ΔV7通过PCB1 ，PCB2中的GND 、电缆、电缆对参考地之间的特性阻抗Z cable（有电缆的寄生电感和电感对参考地之间的寄生电容所形成）和PCB1 中GND平面与参考接地板之间的寄生电容CP形成了一个共模电流路径，该路径中的共模电流流过了电缆，电缆较长，具有天线的特性(电缆长度与信号波长可以比拟)。其中Cp的大小取决于PCB1中GND平面的大小和PCB1到参考接地板之间的距离，本案例中PCB1的GND平面尺寸约为10cm×8cm，PCB1到参考接地板之间的距离为民用产品辐射发射测试标准中规定的距离约为0.8m，这样可以估算出Cp约为3pf。
Z cable约为150~250欧姆之间，它由电缆的寄生电感L cable和电缆对参考地之间的寄生电容C cable所决定，并Z cable ＝(L cable /C cable)0.5（其中L cable≈1u H/m, C cable在20pf/m～50pf/m之间,与电缆的布置有关）。这样，在125 MHz和170MHz频率下，流过电缆的共模电流I5CM和I7CM分别约为：
I5CM＝2π ×F5×CP×ΔV5＝2π ×125MHz×3pF×35m V≈82μA
I5CM＝2π ×F7×CP×ΔV7＝2π ×170MHz×3pF×34m V≈112μA
注：Z cable、CP的具体估算方法请参考《电子产品设计EMC风险评估》第二章。

根据电磁场理论，当电缆的长度大于电缆上共模电流信号频率所在波长的一半时，其电缆在自由空间中所形成的共模辐射强度为ECM
ECM= 60×Icm  /Dm               ()
式中：
ECM 为距离电缆Dm处电缆所造成的辐射电场强度，单位为μ V/m；
Icm为电缆中的共模电流大小，单位为μA；
Dm为距离电缆的距离，单位为m；
在125 MHz和170MHz频率下，电缆在3m处所产生的共模辐射电场强度E5CM和E7CM分别为：
E5CM= 60×I5CM  /Dm   ＝60 ×82μA /3m≈1640 μ V/m  ;
E7CM= 60×I7CM  /Dm   ＝60 ×112μA /3m≈2240 μ V/m;
1640 μV/m转成分贝值为  64d B μV/m, 1640 μV/m转成分贝值为  67d B μV/m, 已经远远超过了该产品相关标准所规定的限值。
[处理措施]
  根据产品共模辐射原理，解决该产品辐射发射的问题，主要是降低共模辐射，该产品中共模辐射又与PCB1与PCB2之间的连接器阻抗 和PCB1中GND平面与参考接地板之间的寄生电容CP 有很大的关系，因此，解决思路也可以从这两点出发：
(1)    减小PCB1与PCB2之间GND互联阻抗，如增加GND针的数量（值得注意的是，阻抗并非随GND针增加而线性增加），或用一块长宽比较小的金属板与GND地针并联。
(2)    减小PCB1中GND平面与参考接地板之间的寄生电容CP，如增加地针，给产品增加金属外壳等。

[思考与启示]
-    不要过分的强调差模辐射，而忽略了更为重要的共模辐射;
-    200MHz以下的频率，1CM2以下的环路，对于数字信号，基本上不会产生差模辐射问题，如果此时，出现产品辐射发射超标，请关注共模辐射问题;
-    对于辐射抗扰度测试也是类似，通常更多的问题在与电缆在测试电场中所接收到的共模电流流入产品内部电路而影响电路正常工作。除非是电平更低的(如小于1MV)的模拟电路;
-    1CM2以下的环路，在ESD抗扰度测试中不能被忽略。