EMC工程问题解答100题（1-9）
问题一：安装在塑料外壳壁上的 LED 通过 30cm 一对非屏蔽双绞线连接到电路板，LED 驱动器产生单端 3.3V 50MHz PWM 信号，此时辐射发射超出250MHz时的标准值近50dB。以下哪种“措施”可能会使产品符合要求？
本例中辐射的主要来源是电路板上的不平衡驱动器驱动平衡电缆。双绞线相对于电路板地平面，会产生一个共模电压。用同轴电缆替代双绞线可以保持从源头一直到LED的不平衡，并且对于电路板地平面没有共模电压。由于辐射超标发生在5次谐波处，因此答案a增加转换时间对250MHz处的信号幅度影响不大。信号线上的铁氧体磁珠可能会在250MHz时提供一些电阻，但任何提供50dB衰减的电阻肯定会阻止LED亮起。电路板附近线对上的铁氧体磁芯会抑制谐振并降低共模电流；但是，50dB的衰减在250 MHz时需要的共模电阻太大，没有合适的铁氧体磁芯。在提供的选择中，同轴电缆是唯一可行的选项。另一种选择是屏蔽双绞线，这不会阻止共模电压驱动双绞线，但它会将共模电流返回到电缆屏蔽内侧的电路板，从而防止辐射发射。在许多情况下，最好的选择是以低得多的频率驱动LED，如果频率为几百赫兹，则驱动电缆的共模电压将无关紧要。注意：安装在塑料外壳壁上的LED是平衡的，会产生共模电压，但是由于LED体积很小，相对于电缆驱动LED的共模电压可以忽略不计。问题二：在高频下，金属表面上方哪个场量的大小约等于表面电流密度？
在良导体的边界处，切向磁场垂直于表面电流，具有相同的大小。磁场的正常分量为零，切向电场也为零。电场的法向分量与表面电流有关。|εE|等于电荷密度，电流的大小是电荷密度乘以频率。但是，场强不等于电流密度。事实上，消除选项（b）、（c）和（d）的一种方法是认识到电场强度（V/m）的单位与表面电流密度（A/m）的单位不同。注意：金属表面的不连续性会改变表面电流的方向，从而在不连续性处产生高电流密度。磁场探头可用于检测电流密度中的尖峰，从而发现损害外壳屏蔽完整性的缝隙。问题三：100 MHz频率的电磁波通过5mm厚度，相对介电常数εr = 8的透明玻璃，请问玻璃的屏蔽效能为多少？
相对于四分之一波长的薄玻璃板几乎不会产生衰减。没有吸收损失，因为玻璃是一种非常差的导体。正面的反射系数约为0.5，背面的反射系数约为-0.5。对于薄玻璃板，这些贡献被取消。请注意，在 5.3GHz 时，5mm玻璃板的厚度为四分之一波长。在此频率下，第一次反射和第二次反射的贡献抵消，屏蔽效果峰值约为4 dB。问题四：如果将10MHz的梯形波信号的上升时间 Tr 从1ns降到5ns，那么频率320MHz以上谐波的最大振幅可降低多少？
梯形波谐波在1/πτ后，以20dB/十倍频程的速率下降，直到达到转换时间截止频率1/πtr. 对于1ns的转换时间，截止频率为318MHz。对于5ns转换时间，截止频率为64MHz。已知高于两个波形截止频率的最大值（此处对应318MHz），对应的谐波幅度为二者转换时间的比值。此例中，这是 Tr比值为5，换算成对数形式 20log5 = 14 dB。默认情况下，大多数数字信号源将在不到1ns的时间内转换。控制这些信号的转换时间以减少高次谐波中的幅度通常很重要，同时最大限度地减少与太快的跃迁产生的串扰和辐射发射问题。请注意，高于截止频率的每个谐波的幅度不会恰好下降14dB，它是包络（最大振幅）下降14dB。转换时间的变化会改变零点在谐波中的位置，这将增加一些高次谐波的振幅并降低其他高次谐波的振幅，但是所有谐波的振幅都等于或低于包络。问题五：
100*100mm的PCB内部有一个高速开关芯片，和电源、地平面间距均小于0.3mm，为了使其他IC不受高速开关影响，得到最佳的去耦效果，去耦电容应该怎么布局？首先观察一个动图，了解去耦的概念以及一些注意事项，然后再对四个选项进行分析。去耦电容是芯片电源端的电容，一方面提供较稳定的电源；另一方面可以降低芯片对电源端的影响，避免使用同一个电源的其他IC受到影响。- 在电源引脚放置100nF的电容能够有效抑制电源上的噪声；
- “电源-去耦电容-地”三点一线的距离越近，则去耦的效果越好；
选项d， 电源和地平面之间放置去耦电容时，感抗最小是布局的关键参数。选项a，高速电路设计不能忽略过孔的寄生电感，如果在电源引脚旁边打过孔换层，此时电源引脚到电容器之间走线电感会增加。选项b，从去耦半径看，电荷在电容和电源之间移动所需的时间决定了电容器的位置非常靠近去耦合的器件，此处30mm是一个近似的数据，本例未给出PCB的基本参数以及适用频率，电信号的相速度和介电常数以及频率有关。从电源供电看，在本例中内层电源和地平面间隔不到0.3mm，可以把PCB的电源层和地平面理解成100mm*100mm的平行板电容，根据计算，0-1V电平跳变过程中前700psec中会提供电荷1.3nC，假设在电源引脚0mm处，连接电感为1nH，此时SMT电容提供的电荷小于250pC；经过700psec以后，SMT电容器比平面电容提供更多的电荷，但距离的长短并不会影响电容提供明显更多的电荷。当然，在没有完全了解产品要求，仅仅依靠一些简单的规则来判断去耦电容的位置是不可取的，高速电路中PCB层数多，走线密集，许多设计规则会产生冲突，硬件工程师必须学会取舍，务必在保证产品功能的情况下提升性能以及可靠性。问题 6:
为了减少开关噪声引起的PCB传导和辐射发射，请选择具有▁▁▁▁▁▁▁▁▁尽可能小的DC-DC转换器。
为了减少开关电源电路的耦合，应保持其环路面积小。离DCDC电压节点SW的距离大于电压最大耦合范围时，电场耦合会迅速下降；离DCDC电流环路的距离大于环路的最大耦合范围时，磁场耦合会迅速下降。选项b，当DCDC转换器布局正确时，元件尺寸的减小对应更高的开关频率。更小的元件使设计更加紧凑，更容易和其他元件或电路隔离，从而降低开关噪声影响。选项a，虽然电场和磁场耦合确实与频率成正比，但更高的开关频率通常允许DCDC转换器使用更小的元件。选项c，DCDC转换器的静态电流对传导或辐射发射几乎没有影响，主要还是静态电流一般在uA级别，对应产生的磁场很小；同样选项d，最大输出电流除了较大的电流可能需要具有更大尺寸的更大元件之外，没有其他影响。最终，环路面积将决定开关噪声的大小，控制开关噪声是EMI的关键。值得注意的是，DCDC芯片的选型尽量根据原厂FAE或者芯片代理推荐的来，新产品具有更高的开关频率，更低的静态电流、更高的使用效率。同时，更少的外部组件也帮助硬件工程师搭建一个更可靠的电路，部分芯片也增加了降低EMI的策略。问题 7:
通常，电路板上的铁氧体磁珠不应与▁▁▁▁▁▁▁▁▁串联？地线通常是用作电流回流或单端信号，单端信号在设计上是不平衡的，不应故意在接地侧引入阻抗。如果案例中走线接地，是为了确保PCB上某两个点具有相同的参考电位，此时引入铁氧体磁珠将增大阻抗，形成电位差，共模辐射增强。选项a，铁氧体磁珠很少适用于信号走线，但可用于需要高频电阻、抑制直流电阻的情况。选项b，当I/O口数据速率低或直流传输时，I/O走线上串联铁氧体磁珠能有效抑制干扰并减小带外辐射。选项c，铁氧体磁珠最常见的应用是与IC电源输入串联，减小负载对电源的影响；此时必须注意磁珠的基本参数，确保流入电流不超过磁珠的最大额定电流。问题 8:
如图所示，电压源驱动谐振频率为300MHz的λ/4单极子（辐射发射模型），辐射阻抗为36 Ω。如果将铁氧体磁芯（R=80Ω@300MHz）放置在单极子上，则单极子模型对外的辐射发射将减少▁▁▁▁▁▁▁▁▁？
如果没有铁氧体，最大电流等于电压除以36 Ω。对于铁氧体，最大电流等于电压除以电阻，电阻为80 + 36 = 116 Ω。辐射发射与电流成正比，因此铁氧体将辐射发射降低20log(80 + 36)/36≈10 dB。注意：任何明显的源阻抗或天线损耗都会导致铁氧体提供的衰减较小，铁氧体必须位于电流为最大值的点（如下图）。此外，如果铁氧体在300 MHz处具有任何明显的电感，则可以移动单极子的谐振频率，从而减少300 MHz处的发射，但在新的谐振频率下增加发射。理论上，其中两个铁氧体可提供20log(80*2 + 36)/36≈15 dB的衰减。三个铁氧体可以提供20log(80*3 + 36)/36≈18 dB的衰减。虽然铁氧体磁芯可以减少电缆谐振时的辐射发射，但是效益成本比通常较低。夹紧式铁氧体磁芯通常作为最后手段而添加，此时已无法执行其他操作。一般来说，从源头解决问题要有效得多，避免使用共模电压驱动电缆。问题 9:
频谱分析仪分辨率带宽9 kHz时，可以检测出 1.01 MHz（幅度为 40 dBμV）和 1.03 MHz（幅度为 35 dBμV）的窄带信，如果分辨率带宽更改为 100 kHz，将显示什么峰值幅度？
由于100 kHz带宽无法分辨单个峰值，因此显示的值将表示两个信号的功率和，电压将是每个信号电压平方和的均方根。电压平方和的均方根为115uV，约等于41 dBμVEMC工程师在测量传导发射时都使用了uV和dBuV。传导发射是指由电子设备产生并通过电缆、PCB 走线、电源和接地层或寄生电容传输到另一个电子设备的噪声。传导发射必须保持在较低水平，否则它们会通过电缆传播，对其他设备造成电磁干扰。（后续在星球更新，私信我有优惠）
