接地方式對輻射發(fā)射的影響分析

以下文章來源于電子工程師之家

書接上回，前文我們介紹了EMC的三大法寶之一的接地，本次我們就接地方式對輻射發(fā)射的影響舉例分析。

Part 1現(xiàn)象描述

某產(chǎn)品外殼為金屬，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝框架示意圖如下圖所示。

在該產(chǎn)品中，PCB只有一個工作地，PCB的工作地與金屬外殼無連接。

該產(chǎn)品按CISPR22(是歐洲信息技術(shù)設(shè)備ITE廣泛使用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，- 無線電干擾特性 - 限值和測量方法)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輻射發(fā)射測量時，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在頻率73.77MHz處的輻射發(fā)射值超過了限值線(參考下圖)。

按照前文《EMC的三大法寶之一：接地(二)》中介紹，為了獲得良好的EMC效果，產(chǎn)品在設(shè)計時，建議將PCB的工作地直接或通過電容在連接器處接至金屬殼體(如下圖)：

按照上圖示意進(jìn)行修改后，對產(chǎn)品按照CISPR22標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新測試，測試結(jié)果如下：

從測試結(jié)果看， PCB的工作地在連接器附近直接接至產(chǎn)品金屬殼體時雖然導(dǎo)致73.77MHz頻率處的輻射降低至限值以下， 但是其它如363.56MHz頻段附近的測試結(jié)果反而超過了限值。這真是按下葫蘆浮起瓢啊。

難道前文介紹的結(jié)論有誤?

結(jié)論肯定是沒有問題的，具體原因請聽我娓娓道來。

Part 2原因分析

如下圖所示，為PCB接地降低輻射的原理解析。

當(dāng) PCB的工作地在電纜接口處與外殼相連時，產(chǎn)生的 ICOM2電流可以旁路本來要流入線束的共模電流 ICOM1 ， 從而降低了產(chǎn)品因線束成為等效發(fā)射天線而引起的輻射發(fā)射幅值。

這就是之前73.77MHz頻率處的輻射降低至限值以下的原因。

那為啥363.56MHz頻段附近的測試結(jié)果反而超過了限值?

那是因為我們的接地不但要考慮位置，還要考慮接地方式，并不只簡單的接通即可。

在上面的測試中，實際上是直接用導(dǎo)線將PCB和外殼接在一起的，如下圖所示：

在圖中，PCB的地與外殼互聯(lián)的導(dǎo)線存在較大的寄生電感(如10cm的導(dǎo)線，可以等效為100nH的寄生電感)。

如下圖所示為接地存在問題時的解析圖，

如圖所示，接地線等效電感LP和PCB與外殼的寄生電容CP1可以形成LC串聯(lián)諧振，諧振頻率由LC的參數(shù)(L與線纜長度和線徑有關(guān)，C和PCB與外殼之間的距離有關(guān))來決定。

諧振時，回路阻抗最小， 一方面 ICOM2將達(dá)到最大，另一方面電感LP和電容CP1兩端的電壓也將達(dá)到最高。

正因為諧振時LP兩端的電壓達(dá)到最大值， 所以ICOM2也將達(dá)到最大，相應(yīng)的，諧振頻率點上的輻射也達(dá)到最高值。

這就是為何PCB的工作地與產(chǎn)品金屬殼體互聯(lián)后反而使得產(chǎn)品的輻射在某些頻點上變高的根本原因。

Part 3處理措施

由分析可以看出，某些輻射頻點超標(biāo)是由于引線電感和寄生電容串聯(lián)諧振引起的，所以消除諧振或?qū)⒅C振點頻率保持在測試頻段范圍之外， 就可以有效解決此問題。

那要如何做呢?

實際上只需要將互聯(lián)接地線改為一片長寬比小于3的金屬片或者接地柱即可。

修改優(yōu)化后的輻射如下圖，順利通過。

Part 4思考和啟示

經(jīng)過上面的分析，我們都可以得到下面的結(jié)論：

對產(chǎn)品的PCB進(jìn)行接地時，不但位置要對(靠近電纜出口處)，接地方式同樣重要。原則上，在測試頻段范圍內(nèi)，PCB與外殼之間需要形成等電位的互連。

如果不能形成等電位的互聯(lián)，會引起個別諧振頻點出現(xiàn)超限值的現(xiàn)象。

所謂的等電位互連， 就是實現(xiàn)在EMC的測試頻段范圍內(nèi)PCB的工作地與產(chǎn)品金屬殼體之間形成較低的阻抗(包括寄生電感感抗和電阻)。

如何實現(xiàn)等電位互聯(lián)呢?可以參考下面兩種方法：

1)PCB和工作地和產(chǎn)品外殼之間采用主動搭接的形式(如將PCB的地平面與產(chǎn)品外殼的金屬表面用螺釘鎖緊;或者在PCB的工作地和外殼之間用導(dǎo)電材料進(jìn)行填充)

2)如果PCB的工作地和產(chǎn)品金屬外殼之間用其它導(dǎo)體互聯(lián)，則要求導(dǎo)體的長寬比小于3(通常導(dǎo)體長寬比要求小于5，小于3效果更好)，導(dǎo)體和PCB以及外殼之間采用主動搭接的方式。