如何解決共振引起的EMC問(wèn)題

1. 共振的原理

共振可以說(shuō)是一種宇宙間最普遍和最頻繁的自然現(xiàn)象之一，在某種程度上甚至可以說(shuō)共振就沒(méi)有世界。共振現(xiàn)象在生活中也被廣泛應(yīng)用，蕩秋千暫且不論，看的電視，上的網(wǎng)絡(luò)，甚至是眼睛看到的一切事物，都是根據(jù)共振原理而接受信號(hào)的。

共振的原理是大部分事物都是由分子組成的，每種分子都有固有頻率，當(dāng)某種能量接近它的固有頻率時(shí)，它將更容易釋放或吸收能量，帶來(lái)的效果就是振動(dòng)效果的放大。因此，共振也是同一物理系統(tǒng)在其自然的振動(dòng)頻率下趨于從周圍環(huán)境吸收更多能量，從而產(chǎn)生振動(dòng)的現(xiàn)象。這些特定頻率稱之為“共振頻率”。

2. 共振的現(xiàn)象

自然中有許多地方有共振的現(xiàn)象如：樂(lè)器的音響共振、太陽(yáng)系一些類木行星的衛(wèi)星之間的軌道共振、動(dòng)物耳中基底膜的共振，電路的共振等。

19世紀(jì)初，一隊(duì)拿破侖士兵在指揮官的口令下（另一種說(shuō)法是二戰(zhàn)期間的德國(guó)），邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過(guò)法國(guó)昂熱市一座大橋?？熳叩綐蛑虚g時(shí)，橋梁突然發(fā)生強(qiáng)烈的顫動(dòng)并且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。后經(jīng)調(diào)查，造成這次慘劇的罪魁禍?zhǔn)?，正是共振?/p>

機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部分總會(huì)有某種不對(duì)稱性，從而對(duì)機(jī)床的其他部件施加周期性作用力引起這些部件的受迫振動(dòng)，當(dāng)這種作用力的頻率與機(jī)床的固有頻率接近或相等時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，從而影響加工精度，加大機(jī)械鋼鐵的疲勞破壞，加大機(jī)械的損害力度。

弦樂(lè)器中的共鳴箱、無(wú)線電中的電諧振等，就是使系統(tǒng)固有頻率與驅(qū)動(dòng)力的頻率相同，發(fā)生共振。電臺(tái)通過(guò)天線發(fā)射出短波/長(zhǎng)波信號(hào)，收音機(jī)通過(guò)將天線頻率調(diào)至和電臺(tái)電波信號(hào)相同頻率來(lái)引起共振。

音樂(lè)的頻率、節(jié)奏和有規(guī)律的聲波振動(dòng)，是一種物理能量，而適度的物理能量會(huì)引起人體組織細(xì)胞發(fā)生和諧共振現(xiàn)象，這種聲波引起的共振現(xiàn)象，會(huì)直接影響人的腦電波、心率、呼吸節(jié)奏等，使細(xì)胞體產(chǎn)生輕度共振，使人有一種舒適、安逸感，音律的變化使人的身體有一種充實(shí)、流暢的感覺(jué)。它活化了體內(nèi)的細(xì)胞，加快了血液的流動(dòng)，激活了人的物理層次的生命潛能。當(dāng)人處在優(yōu)美悅耳的音樂(lè)環(huán)境中，可以改善精神系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的功能，促使人體分泌一種有利健康的活性物質(zhì)，提高大腦皮層的興奮性，振奮人的精神，讓人的心靈得到了陶冶和升華。所以，運(yùn)用音樂(lè)產(chǎn)生的共振，可以緩解人由于各種因素造成的緊張、焦慮、憂郁等狀態(tài)。

3. 電路共振（諧振）

電路中也會(huì)引起共振（通常叫諧振）。

不同頻率信號(hào)通過(guò)LC串聯(lián)電路時(shí)，頻率較高的信號(hào)通過(guò)電感會(huì)衰減很大，而直流信號(hào)則無(wú)法通過(guò)電容器。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率等于LC諧振的頻率時(shí)，LC串聯(lián)電路的阻抗最小。此時(shí)，經(jīng)過(guò)LC電流達(dá)到最大。信號(hào)很容易通過(guò)電容器和電感器輸出。此時(shí)，LC相當(dāng)于向信號(hào)源吸收了最大的電流。

不同頻率的信號(hào)通過(guò)LC并聯(lián)諧振電路時(shí)的狀態(tài)，根據(jù)電感器和電容器的阻抗特性，較高頻率的信號(hào)則容易通過(guò)電容器到達(dá)輸出端，較低頻率的信號(hào)則容易通過(guò)電感器到達(dá)輸出端。LC回路在并聯(lián)諧振頻率處的阻抗最大，諧振頻率點(diǎn)的信號(hào)不能通過(guò)LC并聯(lián)振蕩電路。此時(shí)，相當(dāng)于LC并聯(lián)回路向電源吸收了最大的電壓。

4. 80%以上的EMC問(wèn)題與共振有關(guān)

a） 濾波器內(nèi)部共振

產(chǎn)品的EMC問(wèn)題在電路中可以解釋為各種額外回路的形成，這種回路中存在大量的諧振現(xiàn)象，因?yàn)榛芈分锌偵俨涣穗姼小⒁采俨涣穗娙荨?/p>

可以說(shuō)80%以上的EMC問(wèn)題都與諧振有關(guān)。諧振使EMC問(wèn)題的解釋變得更加復(fù)雜，在EMI方面諧振會(huì)插入損耗很高的濾波器濾波效果失效。下圖是濾波器的插入損耗圖，圖中的尖峰就是濾波器件LC形成的諧振點(diǎn)，在該頻率上，LC濾波器不但沒(méi)有濾波效果，而且還會(huì)放大原來(lái)的EMI信號(hào)。因此，濾波器中電感電容參數(shù)選擇時(shí)，其諧振點(diǎn)一定要遠(yuǎn)小于被濾波的頻點(diǎn)。

除了濾波器內(nèi)部器件所形成的諧振點(diǎn)，濾波器中的濾波參數(shù)還與與濾波器之外的LC參數(shù)發(fā)生諧振。如：

濾波器中的電感與濾波器之外的分布電容諧振；

濾波器中的電容與濾波器之外的分布電感諧振；

濾波器中的分布電容與濾波器之外的分布電感諧振；

濾波器中的分布電感與濾波器之外的電感諧振等。

…… 好可怕！?。?/p>

這也是為何一個(gè)插入損耗值非常好的濾波器，在實(shí)際產(chǎn)品中卻發(fā)揮不出其應(yīng)有的衰減效果的原因。

b） 諧振會(huì)讓EMI發(fā)射值變得更高

下圖所示是，有個(gè)產(chǎn)品內(nèi)部的接地線過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)部的近場(chǎng)噪聲耦合到紅色的接地線上，在電路上，表現(xiàn)為干擾從分布電容耦合到接地線，接地線的分布電感與耦合電容串聯(lián)諧振。在諧振時(shí)，接地線AG兩端的電平最高，最終導(dǎo)致設(shè)備外接的系統(tǒng)接地線上的共模電流最大，輻射最高。

下圖是進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾測(cè)試時(shí)，EUT的接地線、電源線、參考接地板、LISN組成回路的諧振點(diǎn)與EUT中騷擾源頻率的諧波同頻，諧振時(shí)，騷擾源會(huì)在EUT的接地線、電源線、參考接地板、LISN組成回路中感應(yīng)出最大的共模電流，從而導(dǎo)致該諧振頻點(diǎn)上傳導(dǎo)騷擾值最高。

變EUT的接地方式后（即如下圖所示，將EUT的接地線平行與電源線布置），傳導(dǎo)騷擾值大大下降。

下圖是開(kāi)關(guān)電源中，功率管上的高dV/dt由于PCB布局布線的原因，引起與電源輸入印制線間的容性耦合。在等效電路上，引起容性耦合的分布電容與電源端口的電感值引起諧振，最終導(dǎo)致LISN兩端產(chǎn)生較高的EMI電位差，傳導(dǎo)騷擾超標(biāo)。

下圖也是開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)回路主回路中的分布電容和分布電感發(fā)生諧振，當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的諧波頻率與諧振頻率同頻時(shí)，主回路中的電流達(dá)到最大，從而引起向外部共?；芈返母行择詈希罱K使共模傳導(dǎo)騷擾超標(biāo)。

c） 共振會(huì)讓干擾變大

在抗擾度方面，諧振也會(huì)在特定的頻點(diǎn)上表現(xiàn)出最強(qiáng)的干擾能力，最典型的測(cè)試表現(xiàn)是進(jìn)行頻率掃描的抗擾度測(cè)試時(shí)，同樣的干擾值（如RS測(cè)試10V/m），卻只在某個(gè)特定的頻點(diǎn)fail。原因是因?yàn)楦蓴_頻率與系統(tǒng)某LC諧振點(diǎn)同頻時(shí)，就可能感應(yīng)出最大的感應(yīng)電流，如果該感應(yīng)電流是經(jīng)過(guò)PCB板的，那么此時(shí)PCB板上就相當(dāng)于出現(xiàn)了最大的干擾。

諧振也會(huì)讓測(cè)試的復(fù)現(xiàn)性變差，因?yàn)镋MC測(cè)試時(shí)，有關(guān)測(cè)試布置的因素，如線纜的長(zhǎng)短、線纜距離參考接地板的高度、線纜之間的距離、EUT的放置位置等因素都會(huì)影響分布參數(shù)，從而改變被測(cè)系統(tǒng)的諧振點(diǎn)，最終導(dǎo)致測(cè)試現(xiàn)象變化。

總之，一個(gè)產(chǎn)品中存在大量的諧振點(diǎn)，大部分是分布參數(shù)引起的，它很難測(cè)算，EMC測(cè)試頻段從數(shù)KHz到GHz級(jí)，諧振點(diǎn)在這個(gè)頻段范圍內(nèi)也很難避免（也可以說(shuō)無(wú)法避免），因此它是EMC問(wèn)題的一大難題，也可認(rèn)為是EMC問(wèn)題的最大本質(zhì)。

5. 如何解決共振引起的EMC問(wèn)題

雖然諧振無(wú)法避免，但是仍有措施可以降低EMC風(fēng)險(xiǎn)，主要措施有：

1、 增大LC分立元件參數(shù)的值，讓LC諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離測(cè)試頻段范圍，如電源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，就要求電源濾波器的諧振點(diǎn)遠(yuǎn)小于150KHz，此時(shí)濾波器才能取得較好的濾波效果；

2、 深刻理解EMC設(shè)計(jì)的精髓，控制分布參數(shù)值，（如減小接地線長(zhǎng)度、縮短電容的引線、線間鋪銅，減小信號(hào)回路面積等）。減小分布參數(shù)可以使諧振點(diǎn)頻率變高，而隨著頻率的變高，騷擾源的諧波幅度也會(huì)越來(lái)越小，即使諧振，產(chǎn)生的整體騷擾也會(huì)變低；

3、 增加EMI信號(hào)源的上升沿時(shí)間，因?yàn)樯仙貢r(shí)間影響著信號(hào)源高次諧波的幅度，沿越緩，高次諧波幅度更低，就可以有效降低高頻諧振頻點(diǎn)上的幅度，如開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中串電阻，并聯(lián)電容等；

6. 工作中的“濾波器效應(yīng)”

前面談到濾波器，一個(gè)插入損耗值非常優(yōu)秀的濾波器，放在產(chǎn)品中卻不能發(fā)揮很好的濾波效果。什么原因，那是因?yàn)椴迦霌p耗值是濾波器作為單獨(dú)個(gè)體時(shí)的性效能評(píng)價(jià)值，而濾波器用在產(chǎn)品中時(shí)，濾波器中電感和電容，也會(huì)與濾波器外的電感或電容發(fā)生諧振，導(dǎo)致濾波器內(nèi)部器件與外部器件相互“合作”，改變?cè)瓉?lái)信號(hào)的分布，表現(xiàn)為濾波效果失效。

在我們工作中，也經(jīng)常會(huì)發(fā)生類似現(xiàn)象。在一個(gè)團(tuán)隊(duì)里，一位具有較強(qiáng)個(gè)體工作能力的員工，在團(tuán)隊(duì)里卻不能發(fā)揮很大的價(jià)值。究其原因，是這位所謂強(qiáng)能力的員工，與團(tuán)隊(duì)之外的某個(gè)體之間有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，并且在不斷共振。這種關(guān)系的存在，會(huì)不斷的、甚至最大程度的吸取著公司的利益。自然這位員工在公司是無(wú)法被評(píng)價(jià)為優(yōu)秀的，甚至可以成為害群之馬。這就是人事中的濾波器效應(yīng)。

世界萬(wàn)物是一個(gè)共振體，也由無(wú)數(shù)個(gè)共振體組成，應(yīng)該有效的選擇共振體，讓其產(chǎn)生正向效果，而避免共振帶來(lái)的負(fù)面影響。