辐射发射电磁兼容

1 简介

2 近场耦合

3 远场耦合

4 工业和多媒体设备中的辐射 EMI

1 简介

这篇系列文章的第 4 部分针对电源转换器（特别是工业和汽车领域使用的电源转换器）在开关时产生的辐射排放阐述了一些观点。

辐射电磁干扰 (EMI) 是一种在特定环境中动态出现的问题，与电源转换器内部的寄生效应、电路布局和元器件排布及其在运行时所处的整体系统相关。因此，从设计工程师的角度出发，辐射 EMI 的问题通常更具挑战性，复杂度更高，在系统主板使用多个 DC/DC 功率级时尤为如此。了解辐射 EMI 的基本机制以及测量要求、频率范围和相应限制条件至关重要。本文重点介绍这些方面的内容，展示辐射 EMI 测量装置以及两个 DC/DC 降压转换器的结果。

2 近场耦合

图 1 概略介绍了噪声源与受干扰电路之间基本 EMI 耦合模式特别是电感或 H 场耦合需要 di/dt 较高的时变电流源和两条磁耦合回路（或带有返回路径的平行导线）。另一方面，电容或 E 场耦合需要 dv/dt 较高的时变电压源和两块紧邻的金属板。这两种机制均属于近场耦合，其中的噪声源与受干扰电路非常接近，可使用近场嗅探器进行测量。

例如，现代电源开关，特别是氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 基晶体管，其输出电容 COSS 较低，栅极电荷 QG 较少，能够以极高的 dv/dt 和 di/dt 转换率进行开关。相邻电路发生 H 场和 E 场耦合以及串扰的可能性很高。然而，随着互感或电容减小，耦合结构的间距增大，近场耦合显著减弱。

3 远场耦合

典型的电磁 (EM) 波以 E 场和 H 场组合的形式传播。辐射天线源附近的场结构为复杂的三维模式。从辐射源进一步分析，远场区域中的 EM 波由彼此正交并且与传播方向正交的 E 场和 H 场分量组成。图 2 展示了这种平面波，它代表辐射 EMI 的主要基准，受到各种辐射标准的约束。

鉴于多数天线设计用于检测和响应电场，辐射的电磁波通常称为垂直或水平极化，具体取决于电场方向。测量 E 场天线一般应与传播的 E 场在同一平面中定向，从而检测最大场强。因此，辐射 EMI 测试标准通常介绍接收天线以垂直和水平极化方式安装时的测量。

4 工业和多媒体设备中的辐射 EMI

表 1 列出了联邦通信委员会 (FCC) 第 15 部分 B 子节针对无意辐射体规定的 A 类和 B 类辐射发射限值。此外，本规范第 15.109(g) 条允许在使用美国国家标准协会 (ANSI) C63.4-2014 规定的测量方法时，使用国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 22 规定的辐射发射限值（如表 2 所述）。表 1 和表 2 中规定的限值均针对低于 1GHz 的频率，使用 CISPR 准峰值 (QP) 检测器功能，分辨率带宽 (RBW) 为 120kHz。表 3 和表 4 规定的限值针对 1GHz 以上的频率，此时使用峰值 (PK) 和平均 (AVG) 检测器以及分辨率带宽为 1MHz 的接收器。

对于指定的测量距离，B 类民用或家用应用限制通常比 A 类商用或工业应用限制更严格，通常高出 6dB 至 10dB。另请注意，表 1 和表 2 还包括一个按照 15.31(f)(1) 使用的 20 dB/dec 的反向线性距离 (1/d) 比例系数，针对 3m 和 10m 天线测量距离对应的限值进行归一化处理，从而确定合规性。例如，如果将天线放置在 3 米而非 10 米的位置，从而保持在测试设备边界内，则限制幅值调整约 10.5dB。

表 1：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 标准规定的 30MHz 到 1GHz 范围的辐射发射场强 QP 限值：