摘 要：本文介绍了传导骚扰和辐射骚扰的环路分析，并进行了基于电磁骚扰环路分析进行电磁兼容整改方法研究，用于指导电子产品的电磁兼容整改与设计。
关键词：传导骚扰；辐射骚扰；电磁骚扰；环路分析；电磁兼容整改
引 言
随着电子技术的迅猛发展，电子产品在生活、工业、军事等方面的应用越来越广泛，且电子产品日益高精密化，电子产品之间的电磁干扰也日益严重。为保证电子产品工作稳定可靠，大部分国家已强制执行电磁兼容标准来控制电子产品的电磁污染，如中国的CCC认证，电磁兼容指标已成为一项电子产品必须通过的法制性指标。为使产品顺利通过电磁兼容试验，走上市场，电子产品厂商必须考虑电子产品的电磁兼容性能。然而在实际中，大部分电子产品在初期仅考虑产品的工作性能，较少的考虑甚至忽略了产品的电磁兼容性能，在试验不合格后，又往往因为缺乏对产品电磁兼容性能的了解，缺少整改思路和手段，得不到有效的整改措施，从而耽误了产品的上市进度。本文针对产品的电磁干扰（EMI）提供了一种环路分析的整改设计分析方法，基于电磁骚扰环路分析电子产品存在的电磁兼容问题，能有效指导电子产品的整改与设计。
1 电磁干扰
电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）[1]，是指在同一电磁环境中的某一电子产品能正常工作同时也不影响其他产品正常工作的能力。电磁兼容性能是衡量产品质量的一重要指标，其包含两个方面：EMI[1]（电子产品对外界的干扰）和EMS（电子产品承受外界干扰的能力）。解决产品的电磁干扰[1]，必须研究其产生三个必备基本条件：骚扰源、骚扰传播路径和敏感设备。而对于EMI测试来说，解决一个产品的EMC问题，则是解决电磁干扰中的干扰源与骚扰传播路径的问题。根据传播路径，电磁骚扰可分为传导骚扰和辐射骚扰。
2 传导骚扰[1]环路分析及整改
产品的传导骚扰可分为差模骚扰和共模骚扰两种。如在开关电源的电源端传导骚扰中，开关电源的主要骚扰源主要来自于开关电路产生的电磁骚扰。由整流桥、开关管、变压器、储能电容等主要元器件组成的开关电路是开关电源的核心，它产生的电磁骚扰具有较高幅度、频带宽且谐波丰富的特点。在进行电源端传导骚扰电压测试时，开关电源产生的电磁骚扰环路如图1、2所示。
图1 开关电源传导骚扰的差模环路
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图2 开关电源传导骚扰的共模环路
图1中IDM为开关电源传导骚扰的差模环路，图2中ICM为开关电源传导骚扰的共模环路。为保证设备顺利通过电源端传导骚扰试验，则需减少甚至切断IDM和ICM流过人工电源网络中R1和R2的信号环路，根据环路路径，可在路径上的任何位置采取有效的抑制措施，但由于电路中存在较多的不可预见参数，如寄生的电容电感，其路径并非仅如图1、2所示。实际常用且有效的措施是在D1前增加滤波网络（根据实际的情况选择一级或多级差模滤波和共模滤波），如图3所示。
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图3 开关电源增加滤波措施
3 辐射骚扰[1]环路分析及整改
辐射骚扰由产品的两种等效天线产生，一种是产品内部工作电路形成的天线信号环路产生的辐射，其辐射产生的主要原因是差模电流[2]；一种是产品的连接线、电缆，较长的PCB中的导体成为辐射电磁能量的天线，其辐射产生的主要原因是流过线缆或者导体中的共模电流[2]，如图4所示。
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图4 线路板的辐射机理
对于差模辐射，电子产品中任何信号（正常工作的信号，如时钟信号及其谐波）的传递都存在环路，如果信号是交变的，那么信号所在的环路会成为天线，产生辐射骚扰，假如环路面积为S，在环路中的电流为I，频率为F，那么在自由空间中，距环路D处所产生的的辐射强度为：
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(1.1)[2]
由式1.1可知，当产品的信号电流大小、频率和测试距离确定时，环路面积越大，信号环路产生的辐射强度越大。因此减小信号环路面积可有效抑制此类的辐射骚扰。
对于共模辐射，其辐射骚扰产生的天线等效为偶极子天线，这种天线通常为流动着共模电流的电缆或尺寸较长的导体，其内部的共模电流通常不是产品正常工作所需的信号，而是一种“寄生”的无用信号。如果在天线中的信号的电流为I，频率为F，则距天线D出所产生的辐射强度为：
当F≥30MHz，D大于等于1m，且L<λ/2时，
(1.2) [2]
当L≥λ/2时
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(1.3) [2]
从式（1.2）和式（1.3）可以看出，在测试距离确定时，共模辐射的强度与流过天线的共模信号（电流、频率）、天线的尺寸有关。当L<λ/2时，减小天线的共模电流大小和缩短天线的长度，能有效抑制辐射的大小，而当L≥λ/2时，则减小共模电流的大小。
根据偶极子天线的辐射原理，偶极子天线对外辐射时，在其中点馈电处必有共模电压使共模电流流过天线极子，如图5（a）所示。此时，偶极子天线辐射电场线可看作一种能量往外扩散，其扩散方向与天线振子的共模电流构成一个“环路”，如图5（b），其环路的闭合可能在无限远处，当天线越长时，其环路的面积越大，辐射发射也就越强。为抑制天线的辐射发射，可减小环路面积，如在天线上增加磁环等缩短天线的长度、在天线外部做屏蔽处理、天线与地之间增加低阻抗回路等，如图6所示。
图5 偶极子天线的辐射
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图6 降低天线辐射的措施
实际产品中的措施即是，带干扰的线缆增加磁环或者在电路板引线接口处加共模抑制，线路板上的带干扰走线做包地处理，信号层放在地层之间，线缆屏蔽或线路板屏蔽，将带干扰的走线或者导体通过电容接地或者加大接地面积减小接地电阻等。
4 基于环路分析的电磁兼容整改实践
某液晶显示器在CCC认证测试时，30MHz-1000MHz在辐射骚扰测试项目不合格，其初始测试数据如图7所示。
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图7 30MHz-1000MHz辐射骚扰测试结果
产品的内部结构如图8（a）所示，产品的连接如图8（b），由图8（b）可以看出，造成对外辐射的天线可能是图8中线缆1~6、各个部件之间的环路和主板上的走线环路。
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图8 产品的内部结构及测试部件组成
通过使用近场探头对各个天线的发射情况进行分析，主板以及线缆2和6作为天线辐射导致产品超标。从主板的接地情况看，主板没有接地，故其板上的线缆和导体均可作为天线发射信号，而线缆2为显示屏的背光供电线，其信号自于背光供电电路（通过近场探头分析），线缆6为传输计算机和主板之间信号的HDMI线，故本次整改有两个方向：减少整个主板作为天线的发射，消除主板上的通过天线2和6的信号。其整改措施有：1、主板下方增加接地平面，并使用导电泡棉使主板的地与接地平面接触良好，使用屏蔽性能更好的HDMI线缆；2、分析主板的整改背光电路。
通过分析，主板的背光电路为boost升压电路[3]，如图9所示。
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图9 背光供电电路
由boost电路的原理可知，内部信号的环路有两个，如图10所示，此时电路并没有减少环路面积的措施。
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图10 bosst电路信号环路
通过分析，为减小环路面积或消除信号环路的影响，本次在如图11所示L2位置增加磁珠（磁珠能抑制高频信号的通过，而允许直流或较低频信号通过）。
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图11 bosst电路的整改
最终整改措施如图12所示，其最测试结果满足要求，如图13所示。
图12 整改措施
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图13 整改测试结果
5 结论
基于电磁干扰的环路分析，能较为直观的看到干扰信号的路径，使电磁干扰信号不再“摸不着”“看不透”，有效解决了产品的认证过程的电磁兼容难题并为产品设计厂商提供整改和设计思路。
参考文献
[1] 上海电器科学研究所.GB/T 4365-2003 电工术语 电磁兼容[S].2003
[2] 郑军奇：EMC电磁兼容设计与测试案例分析（第二版）。北京：电子工业出版社，2010 18-27
[3] Abraham I.Pressman Keith Billings Taylor Morey著，王志强 肖文勋 虞龙等译：开关电源设计（第三版）。北京：电子工业出版社，2014 19-26