高速数字PCB辐射电磁干扰噪声 机理分析与抑制方法研究

孙红艳 赵 阳 张 杨

（1.南京师范大学泰州学院，江苏 泰州 225300 2.南京师范大学电气与自动化工程学院，南京 210046）

在常规电子产品的辐射EMI 噪声建模与诊断研究方面，国内外学者利用电路和电磁场方法建立了辐射EMI 噪声模型，为后续的噪声抑制提供了理论依据。Sarikhani A 等学者利用3D 有限元技术建立了电机辐射EMI 模型，能有效估计由电机及其线路产生的辐射EMI 噪声[1]；崔翔等学者提出了一种近场磁场测试方法，并根据PCB 环路几何参数和等效电流计算得到Buck 变换器产生的近场磁场[2]；方哲等学者利用天线效应和极子积分方法，建立了串行传输线同步信号的单线辐射发射模型[3]；Thomas 等学者提出了PCB 辐射干扰噪声的等效偶极子模型[4]；Vahrenholt V 等学者设计了PEEC 和MOM 混合建模方法，对PCB 板迹线的电流分布和电磁发射进行仿真，混合方法比单一方法取得了更佳的数值计算效果[5]。

在课题组前期研究的基础之上[6-10]，本文采用实验研究了两款电子设备的辐射超标问题，分别提出了时钟晶振干扰模型，电源芯片干扰模型以及数据线缆干扰模型。

1 辐射EMI 噪声机理分析

射频情况下，图1（a）中信号地的电位不为零，使得电流返回路径受到影响，即相当于有一电流（ICM）从接地点流出，从而产生共模辐射噪声，此时的电路模型为电偶极子共模模型。图1（b）为差模辐射模型，电路的大环路信号线等效为环状天线，模型为磁偶极子差模模型。

图1 辐射EMI 干扰模型

根据上述辐射模型，近场中电偶极子的电磁场特性即共模辐射场为

另一方面，磁偶极子的电磁场特性即差模辐射场为

2 辐射EMI 噪声模型分析

2.1 基于晶振引起的辐射噪声建模分析

高速数字PCB 时钟晶振在工作过程中会产生较多射频共模辐射噪声信号。常规无源晶振信号输出端口的信号经过连接线缆传输给相应的处理芯片正常工作时，在线缆上传输将会是辐射EMI 噪声的最为主要的干扰源之一，该主频时钟信号会随着系统的正常运转而在设备内部传输，一旦该信号在长距离线缆上传输时，将会在空间产生较大的电磁场强。根据其工作原理可以得出如图2所示的等效干扰模型电路。其空间辐射场强大小如式（3）所示，即

式中，Vo为时钟晶振主频信号幅值，Io为晶振输出电流，Zo为时钟晶振输出等效阻抗，r为测试距离。

图2 无源晶振干扰辐射模型

2.2 基于电源芯片引起的辐射噪声建模分析

高速数字PCB 因布线问题引起高频信号接地系统阻抗过大，用于隔离各级电源芯片间的铁氧体磁珠，因多点接地可能引起接地点电位不同，导致电源芯片接地不良，由此产生辐射EMI 噪声。对于电源芯片产生的共模噪声而言，如图3（a）所示，可以等效为共模噪声源UCM，共模噪声源内阻抗ZCM以及负载阻抗Zload。

图3 电源芯片引起的辐射电磁干扰模型

当电源芯片接地良好时，负载上的电压为：

当电源芯片接地不良时，浮地与地之间存在寄生电容C，故等效负载为Zload与寄生电容C的串联，即ZL，如图3（b）所示。此时，负载上的电压变为U′load

故增量ΔUload为因接地不良引起的共模EMI 噪声。

此时，共模辐射场强E′CM远远大于接地良好时的场强ECM。

2.3 基于数据线缆引起的辐射噪声建模分析

高速数字PCB 板间、PCB 电路与其他系统间一般存在较长的传输线缆，噪声电流通过传输线缆会产生较强的辐射干扰噪声。

数据线缆干扰噪声模型分为共模辐射干扰和差模辐射干扰两种类型，以短直导线连接的情况下形成共模干扰噪声，以环路形式连接的情况下形成差模干扰噪声。共模干扰如图4（a）所示，根据其等效干扰模型可得其空间辐射场强大小，即

式中，VCM为共模噪声源电压；ZCM为共模噪声源 阻抗。

图4 数据线缆辐射干扰模型

数据线缆差模干扰模型如图4（b）所示，根据其等效干扰模型可得其空间辐射场强大小，即

式中，VDM为差模噪声源电压，ZDM为差模噪声源阻抗。

3 实验结果与分析

3.1 计量测试设备：商用刷卡机在辐射EMI 中的应用

如图5所示为某公司生产的商用刷卡机，采用江苏省电气装备电磁兼容工程实验室3m 法电波暗室、德国罗德施瓦茨（R＆S）公司的EMI 接收机ESL3 进行测试，结果如图6（a）所示。

图5 商用刷卡机

图6 商用刷卡机整改前后辐射EMI 测试结果

根据测试结果分析可得，该设备辐射EMI 噪声超标的主要原因包含：晶振干扰、电源芯片辐射干扰以及数据线缆辐射。整改后的测试结果详见图6（b）。

1）时钟晶振干扰

该设备PCB 板采用的晶振主频为13.56MHz，如图7（a）所示，测试结果中的超标频点122.04MHz、135.60MHz、149.16MHz、176.32MHz、189.88MHz和257.68MHz 等均与13.56MHz 呈现多倍频关系，因此在主频信号的输出端口与核心芯片的CLK 输出管脚采用贴片磁珠和贴片电容进行滤波处理，并在晶振的输出端口并联10MΩ电阻，以改善信号完整性。整改原理图如图7（b）所示，其中C=680pF，R=10MΩ，磁珠为100Ω（100MHz）。

图7 针对商用刷卡机时钟晶振整改措施图

2）电源芯片干扰

测试结果在120～200MHz 频段内存在一个很大的包络，为典型的电源干扰信号导致，因此在电源出口处加载并联电容进行滤波，且在电源线缆上加载磁环以增大其线缆阻抗，衰减高频干扰噪声。如图8所示，其中C1=C2=1μF，C3=0.1μF，C4=1nF，C5=220pF，C6=10pF。

图8 针对商用刷卡机电源芯片整改措施图

3）数据线缆干扰

根据对设备内部连接两块PCB 板的连接线缆进行分析，发现其功能为传输刷卡机射频芯片的高频信号，且长度较长，构成共模辐射，因此根据文中方法分析，在该数据线缆上加载铁氧体磁环，减小共模辐射噪声。其整改措施如图9所示。

图9 针对商用刷卡机数据线缆整改措施图

综合上述处理措施，整改后的测试结果如图6（b）所示，能够较好通过电磁兼容标准GB 9254 Class A 测试，超标单频点的抑制前后结果如表1所示，且最小具有3.24dBμV/m 的噪声裕量，有效验证了本文模型以及整改措施的有效性。

3.2 医疗电子设备：生物刺激反馈仪在辐射EMI中的应用

如图10所示为某公司生产的生物刺激反馈仪，采用3m 法电波暗室进行测试，结果如图11（a） 所示。

表1 商用刷卡机辐射EMI 噪声

图10 生物刺激反馈仪

根据测试结果分析，该设备的超标情况主要是单频点和频段辐射超标，根据辐射EMI 噪声的生成机理，其单频点噪声主要由晶振和时钟信号导致，而其辐射EMI 噪声严重超标主要是在传输线缆上得到了很大的放大。整改后的测试结果详见图11（b）。

图11 生物刺激反馈仪整改前后辐射EMI 测试结果

1）时钟晶振干扰

该设备PCB 板采用的晶振主频为11.0592MHz，如图12所示，测试结果中的超标频点66.35MHz、121.65MHz、165.92MHz、199.88MHz 和266.52MHz等均与11.0592MHz 呈现多倍频关系，因此在主频信号的输出端口与核心芯片的CLK 输出管脚采用贴片磁珠和贴片电容进行滤波处理，其中贴片磁珠选用470Ω（100MHz），贴片电容选用180pF、68pF并联。

图12 生物刺激反馈仪11.0592MHz 时钟晶振

2）电源芯片干扰

测试结果在100～150MHz 频段内的包络较大，为典型的电源干扰信号导致，因此在电源出口处并联两个电容进行滤波，其容值为1500pF 与220pF，且在电源线缆上加载磁环以增大其线缆阻抗，衰减高频干扰噪声。如图13所示为生物刺激反馈仪PCB板电源芯片及滤波电容。

图13 生物刺激反馈仪PCB 板电源芯片及滤波电容

3）数据线缆干扰

根据对设备内部连接两个PCB 板的数据线缆进行分析，发现其数据线缆是分开走线的，而这正好形成一个较大的环路，形成了差模干扰，因此根据文中方法分析，将其采用并行双绞走线方式，从而减小环路面积，减小差模辐射噪声。同时，在该数据线缆上加载铁氧体磁环，进一步减小差模辐射噪声。其整改措施如图14所示。

图14 针对数据线缆整改措施图

综合上述处理措施，整改后的测试结果如图11（b）所示，能够较好通过电磁兼容标准GB 9254 Class B 测试，超标单频点的抑制前后结果如表2所示，且最小具有11.38dBμV/m 的噪声裕量，有效验证了本文模型以及整改措施的有效性。

表2 生物刺激反馈仪辐射EMI 噪声

4 结论

本文在分析高速数字电子设备辐射电磁干扰噪声生成机理的基础之上，分析研究了高速数字电子设备的辐射电磁干扰噪声建模技术，对辐射干扰噪声分别建立了晶振干扰模型、电源芯片干扰模型以及数据线缆干扰模型。最后，本文以两款电子设备为实验对象，在分析其辐射超标的基础之上，根据本文所提出的干扰模型对其进行了诊断与抑制，经过有效抑制措施整改后，设备通过了国家标准GB 9254 的限值要求。

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