電源供應器的 EMI 和 EMC 量測簡介—第二篇：輻射型 EMI

本系列部落格文章的第一篇主要探討傳導型電磁干擾 (EMI) 的測量。本文是第二篇，將探討輻射型 EMI 的測量。

輻射型 EMI 是一種不樂見的電磁能量，可能會以橫向電磁波，或透過電容式或電感式耦合的方式發送到自由空間中。電路板導體承載的訊號會隨時間變化，並將電磁能量輻射到空間中。每條電路板走線都算的上是一種天線，可傳輸或接收訊號。切換電壓和切換電流較大的切換式電源供應器，如若設計不當，就很容易產生 EMI (圖 1)。

圖 1：在切換式電源供應器中出現的訊號，既含有高迴轉率的寬頻電壓和電流波形，也含有與切換頻率相關的窄頻訊號，以及振鈴之類的振盪訊號。(圖片來源：Art Pini)

測試輻射型 EMI 時需要測量受測裝置 (DUT) 產生的 EMI 訊號的電磁場強度，這些訊號是高迴轉率切換電壓和電流本身所固有的。

輻射型 EMI 的合規測試會在屏蔽暗室中進行，此暗室可將訊號與 DUT 隔離 (圖 2)。感測天線會與 DUT 保持一定的距離 (通常為一公尺)。通常會使用雙錐型天線和對數週期天線。

圖 2：輻射型 EMI 合規測試在屏蔽暗室中進行，此暗室可將 DUT 與外部 RF 輻射隔離。(圖片來源：Art Pini)

DUT 位於接地面上方的測試台上。這些特定的幅射通常具有方向性，因此 DUT 會置於轉盤上，以便感測天線具備良好的直視性。天線也可以移動，並可調整高度。在測試期間，會將產生最高測量響應的方向記下，並將其當作合規測試的基準。DUT 的佈線也是測試的一部分，包覆在纜線的線束中。

測試實驗室會使用頻譜分析器或 EMI 接收器來掃描相關頻段，並尋找接近測試限值的輻射。會針對所有 DUT 方向和天線極化進行此操作。測試實驗室會關注每一道輻射，並將磁場強度的振幅量化。

Texas Instruments 的 LM61495Q3RPHRQ1 10 A 汽車降壓轉換器的典型輻射放射測試結果，如圖 3 所示。

圖 3：此圖顯示依照 CISPR 25 Class 5 規範，針對 LM61495Q3RPHRQ1 10 A 降壓轉換器進行的典型輻射放射測試。此圖繪製出峰值、準峰值和平均偵測器響應的測試限值，並顯示峰值 (藍色) 和平均 (紫色) 測量響應的擷取資料。(圖片來源：Texas Instruments)

此規範針對峰值、準峰值和平均偵測器響應都有指定測試限值。準峰值響應是經過處理的響應，會依照發生的頻率，對振幅峰值進行加權。峰值和平均測量響應均已繪製在圖上。每個響應都必須低於適當的測試限值才算合規。

由於合規測試的流程成本高昂且耗時，因此大多數設計人員都會使用近場量測，在屏蔽室外進行合規前測試。近場量測是在距 DUT 一英呎 (30.5 cm) 的距離內，以近場探針 (例如 Teledyne LeCroy 的 T3NFP3 套件) 進行。近場探針可感測到電場或磁場 (圖 4)。此外，與大多數探針不同的是，近場探針未經校準，主要用於相對量測和放射源定位。

圖 4：Teledyne LeCroy 的 T3NFP3 近場探針套件包含三個磁性探針和一個電場探針。(圖片來源：Teledyne LeCroy)

T3NFP3 近場探針套件包含三個磁性探針和一個電場探針。這些探針可當作寬頻天線，感測介於 300 kHz 至 3 GHz 內的輻射放射。磁性探針採用迴路結構，可供選擇的直徑有 20、10 和 5 mm。較大的迴路具有較高的靈敏度，非常適合用來探測輻射訊號；較小的迴路不太靈敏，但採用更精密的幾何結構，有助於找出輻射源。如果磁場與迴路平面成直角，探針就可達到最大的靈敏度。這種角度靈敏度可用來判定輻射源的方向。

電場探針是一種單極天線，因此務必要讓探針垂直於量測平面。電場探針有助於識別高電壓來源以及無端接的來源。

B&K Precision 的 PR262 與 T3NFP3 類似，但添加了一個 40 dB 的前置放大器，可用於偵測非常低位準的訊號 (圖 5)。涵蓋的頻率範圍介於 9 kHz 至 3.2 GHz。

圖 5：PR262 組合與 T3NFP3 類似，但添加了一個 40 dB 的前置放大器，可用於偵測非常低位準的訊號。(圖片來源：B&K precision)

近場探針的輸出將連接到測量儀器的 50 Ohm 輸入。絕緣的探針頭會穿過電路板，同時會監測響應，以用來指示輻射源。磁場和電場探針均可用於確認輻射型 EMI 訊號的來源。

結論

由於電路板上的每條走線都算是會輻射 EMI 的天線，因此使用 T3NFP3 和 PR262 等近場探針進行合規前測試非常重要。這有助於快速偵測和隔離 EMI 來源，以便在進行正式 (且昂貴的) 合規測試前緩解 EMI 問題。