EMI溯源：從馬克思威爾到CISPR

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EMI溯源：從馬克思威爾到CISPR

每個設計工程師可能都有返工重新設計經歷，棘手的電磁干擾(EMI)問題可能就是一個真正的大難題。本文的內容，有助於測試工程師設立電磁相容標準、電磁干擾、感應度/抗擾性、組件中的EMI問題等方面的清晰概念，因而保証電信設備符合研發國際射頻干擾特別委員會CISPR 22的限度。 就象發射限度分為A級和B級一樣，抗擾度也有不同的水準。製造商通常會指出其設備所設計達到的EMI承受水準。根據某些規定的測試干擾訊號，一般的感應度/抗擾度水準為： A類：測試期間性能不低於製造商設定的某個水準(通常為正常工作性能水準)。 2B類：雖然性能在測試期間可能會降低，但在測試終止之後會自動回覆到正常的水準，而且不丟失任何儲存的數據，也不改變工作特性。 C類：作業人員(非熟練人員)按測試要求介入並採取普通易行的控制(如從外部進行復位切換)之後，恢復正常的性能。 D類：不可恢復的故障(可能為永久性損壞)。包括任何不屬於上述三種抗擾度水準的情況。 注意：有些複雜的情況不好解釋，不同的人可能有不同的意見。例如，如果某個設備是用於產業用途的，但是同一線路也在為附近的住宅區供電時該怎麼辦呢？是遵照A級限度還是遵照B級限度來執行呢？通常而言，在這種情況下，為了避免出現最後一刻的擔擱和重新設計，應該謹慎對待。在本例中，這意味著應該從一開始就按照B級限度進行設計。 成本考慮 下面概要地分析一下可能的成本： 1. FCC目前針對的數位設備頻譜始於450kHz，而相應的CISPR/EN頻譜則從150kHz開始。因此，符合FCC規定所需的濾波器相對小而便宜。 2. 達到CISPR/EN的A級限度所需的濾波器其體積至少為FCC所需濾波器的兩倍。因此，這個濾波器的價錢可能要貴50％。 3. 達到CISPR/EN的B級限度所需的濾波器其體積為FCC所需濾波器的3~10倍，價格可能要貴上4倍。 4. 注意：CISPR限度適用於230VAC的線電壓，而FCC限度是在美國線電壓(115VAC)上測試的。對於一個特定的輸出功率，輸入電壓越低，則輸入工作電流越高。因此，任何設計為在美國線電壓上工作的設備中，濾波器扼流圈需要的銅線更粗，這也是一個令成本增加的因素。 組件的EMI問題 EMC通常被認為是一個系統級的問題，因為從法規角度來看，它只針對終端設備。因此，作為元件的電源(也叫‘OEM’或‘組件’，如台式電腦內的電源)通常其本身不必象獨立電源那樣，需要滿足任何EMI/EMC標準。最終的EMC責任是由系統製造商來負責的。不過，讓我們將一個離線電源元件(一個前端轉換器)作為例子。顯然，系統輸入處的主要EMI分量來自於這個電源。因此如果電源本身產生的EMI就超過了整個系統的限值，那肯定是不行的。此外，電源與設備整合時，在電源與系統的其餘部份之間常常有一些難以預測的相互作用通過連接器、線路、機架、接地等發生，因而系統的最終EMI不一定正好等於各組件EMI的算術和(單位：dB)。因此，系統製造商很可能需要一種EMI比法定限值低6~10dB的前端轉換器，以便為整機中的其他部份以及未考慮到的相互作用留下足夠的餘量。 認証實驗室也可能要求提交樣機的EMI比認証限值至少低2~3dB，以便給生產中的變數留下餘量。綜上所述，對前端OEM電源轉換器的實際要求是：它們不是要遵循法定的EMI限度，而是要比法定限度做得更好。 位於設備內部的DC-DC轉換器又是一種什麼情況呢？對於它們來說，同樣沒有法定應用的EMI/EMC標準。另外，由於在它們之後很可能存在著各種電路和濾波器、浪涌抑制器、保險絲、電容器、限幅器等等，這些元件可能形成足夠的屏障，防止來自DC-DC轉換器的噪音傳導到交流干纜線線之中。如果具備有效的EMI輻射保護措施(如接地的金屬屏蔽罩)，則輻射模式的干擾可以不予考慮。因此，對於電路板上的DC-DC轉換器，通常甚至可以無需專門的輸入濾波器級。就算需要這種濾波器的話，一般也可以只採用使用小型鐵氧體磁芯電感器的簡單單級LC電路。有時對於幾個並聯轉換器而言，一個這樣的濾波器級可能就已足夠了。 儘管如此，製造商通常會注明其DC-DC轉換器模組的輸入EMI而無論法規是否如此要求，因為這些資訊有助於系統設計人員做出正確的EMI決策。但是，模組輸出的EMI也常常可能被標注出來。為什麼需要測試EMI的輸出呢？老式的電源設計者們更習慣於接受與輸入電纜而不是輸出電纜相聯繫的噪音概念，因為他們設想的輸入是粗糙而未經整流的，含有大量的紋波。他們錯誤地認為，輸出是‘光滑’的，攜帶經過整流的‘直流’成分，因而是‘平穩’的。事實上，輸出有可能攜帶大量噪音，這些噪音常常比輸入中頻率相對較低的成分更為嚴重。而且如同輸入一樣，模組或電源的輸出也可能需要經過長電纜傳輸(如在電信應用和分佈式電源網路中)。這將產生與前述類似的天線效應。此外，如同前面提到的一樣，輸出輻射有可能會被輸入電纜吸收，因而加劇輸入端的問題。 針對電信埠的CISPR 22：擬議中的修改 目前存在著一場爭論，其核心是關於對CISPR 22進行擴充，使其包含對電信埠的全部強制性測試。電信埠的定義是為連接到電信網(如公共交換電信網、整合服務數位網)、區域網(如乙太網路、環形網)以及類似網路而設計埠。也存在著其他產品標準引用這些測試，將其應用於一般訊號線的可能性。新的規格原來預計於2001年生效，後來被延遲到2003年，現在又進一步延遲了。一個麻煩的問題是，這項測試需要一種特殊類型的ISN(阻抗穩定網路)，而這種ISN供應缺乏。比較常見的ISN類型叫做‘LISN’(線阻抗穩定網路)，通常用於測試離線電源的輸入。它在每條輸入線和接地線之間設置一個50歐姆的阻抗，以便更近似地模擬典型的幹線電纜阻抗。擬議中的電信ISN將要求把阻抗增加到150歐姆，這個數據將更能代表典型數據網路中的實際阻抗。 儘管如此，最終有關法規可能會大幅度增加對在電信設備內部工作的所有板上電源轉換器以及所有電源的EMI要求，無論其離線與否。因此，在不遠的未來，工程師可能很快都會對每個電源的輸出進行例行測試，就象如今對電源的輸入進行測試一樣。事實上，即使在今天已有許多大型電信設備製造商在自動地使其電信電源的輸入和輸出都符合CISPR 22的限度。此外，它們已向前邁出一步，採用更常見的LISN，而不是特殊的ISN來測試輸出。 作者：Sanjaya Maniktala 首席工程師