如何解决共振引起的EMC问题

1. 共振的原理

共振可以说是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象之一，在某种程度上甚至可以说共振就没有世界。共振现象在生活中也被广泛应用，荡秋千暂且不论，看的电视，上的网络，甚至是眼睛看到的一切事物，都是根据共振原理而接受信号的。

共振的原理是大部分事物都是由分子组成的，每种分子都有固有频率，当某种能量接近它的固有频率时，它将更容易释放或吸收能量，带来的效果就是振动效果的放大。因此，共振也是同一物理系统在其自然的振动频率下趋于从周围环境吸收更多能量，从而产生振动的现象。这些特定频率称之为“共振频率”。

2. 共振的现象

自然中有许多地方有共振的现象如：乐器的音响共振、太阳系一些类木行星的卫星之间的轨道共振、动物耳中基底膜的共振，电路的共振等。

19世纪初，一队拿破仑士兵在指挥官的口令下（另一种说法是二战期间的德国），迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振！

机床运转时，运动部分总会有某种不对称性，从而对机床的其他部件施加周期性作用力引起这些部件的受迫振动，当这种作用力的频率与机床的固有频率接近或相等时，会发生共振，从而影响加工精度，加大机械钢铁的疲劳破坏，加大机械的损害力度。

弦乐器中的共鸣箱、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。电台通过天线发射出短波/长波信号，收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振。

音乐的频率、节奏和有规律的声波振动，是一种物理能量，而适度的物理能量会引起人体组织细胞发生和谐共振现象，这种声波引起的共振现象，会直接影响人的脑电波、心率、呼吸节奏等，使细胞体产生轻度共振，使人有一种舒适、安逸感，音律的变化使人的身体有一种充实、流畅的感觉。它活化了体内的细胞，加快了血液的流动，激活了人的物理层次的生命潜能。当人处在优美悦耳的音乐环境中，可以改善精神系统、心血管系统、内分泌系统和消化系统的功能，促使人体分泌一种有利健康的活性物质，提高大脑皮层的兴奋性，振奋人的精神，让人的心灵得到了陶冶和升华。所以，运用音乐产生的共振，可以缓解人由于各种因素造成的紧张、焦虑、忧郁等状态。

3. 电路共振（谐振）

电路中也会引起共振（通常叫谐振）。

不同频率信号通过LC串联电路时，频率较高的信号通过电感会衰减很大，而直流信号则无法通过电容器。当输入信号的频率等于LC谐振的频率时，LC串联电路的阻抗最小。此时，经过LC电流达到最大。信号很容易通过电容器和电感器输出。此时，LC相当于向信号源吸收了最大的电流。

不同频率的信号通过LC并联谐振电路时的状态，根据电感器和电容器的阻抗特性，较高频率的信号则容易通过电容器到达输出端，较低频率的信号则容易通过电感器到达输出端。LC回路在并联谐振频率处的阻抗最大，谐振频率点的信号不能通过LC并联振荡电路。此时，相当于LC并联回路向电源吸收了最大的电压。

4. 80%以上的EMC问题与共振有关

a） 滤波器内部共振

产品的EMC问题在电路中可以解释为各种额外回路的形成，这种回路中存在大量的谐振现象，因为回路中总少不了电感、也少不了电容。

可以说80%以上的EMC问题都与谐振有关。谐振使EMC问题的解释变得更加复杂，在EMI方面谐振会插入损耗很高的滤波器滤波效果失效。下图是滤波器的插入损耗图，图中的尖峰就是滤波器件LC形成的谐振点，在该频率上，LC滤波器不但没有滤波效果，而且还会放大原来的EMI信号。因此，滤波器中电感电容参数选择时，其谐振点一定要远小于被滤波的频点。

除了滤波器内部器件所形成的谐振点，滤波器中的滤波参数还与与滤波器之外的LC参数发生谐振。如：

滤波器中的电感与滤波器之外的分布电容谐振；

滤波器中的电容与滤波器之外的分布电感谐振；

滤波器中的分布电容与滤波器之外的分布电感谐振；

滤波器中的分布电感与滤波器之外的电感谐振等。

…… 好可怕！！！

这也是为何一个插入损耗值非常好的滤波器，在实际产品中却发挥不出其应有的衰减效果的原因。

b） 谐振会让EMI发射值变得更高

下图所示是，有个产品内部的接地线过长，导致内部的近场噪声耦合到红色的接地线上，在电路上，表现为干扰从分布电容耦合到接地线，接地线的分布电感与耦合电容串联谐振。在谐振时，接地线AG两端的电平最高，最终导致设备外接的系统接地线上的共模电流最大，辐射最高。

下图是进行传导骚扰测试时，EUT的接地线、电源线、参考接地板、LISN组成回路的谐振点与EUT中骚扰源频率的谐波同频，谐振时，骚扰源会在EUT的接地线、电源线、参考接地板、LISN组成回路中感应出最大的共模电流，从而导致该谐振频点上传导骚扰值最高。

变EUT的接地方式后（即如下图所示，将EUT的接地线平行与电源线布置），传导骚扰值大大下降。

下图是开关电源中，功率管上的高dV/dt由于PCB布局布线的原因，引起与电源输入印制线间的容性耦合。在等效电路上，引起容性耦合的分布电容与电源端口的电感值引起谐振，最终导致LISN两端产生较高的EMI电位差，传导骚扰超标。

下图也是开关电源中，开关回路主回路中的分布电容和分布电感发生谐振，当开关信号的谐波频率与谐振频率同频时，主回路中的电流达到最大，从而引起向外部共模回路的感性耦合，最终使共模传导骚扰超标。

c） 共振会让干扰变大

在抗扰度方面，谐振也会在特定的频点上表现出最强的干扰能力，最典型的测试表现是进行频率扫描的抗扰度测试时，同样的干扰值（如RS测试10V/m），却只在某个特定的频点fail。原因是因为干扰频率与系统某LC谐振点同频时，就可能感应出最大的感应电流，如果该感应电流是经过PCB板的，那么此时PCB板上就相当于出现了最大的干扰。

谐振也会让测试的复现性变差，因为EMC测试时，有关测试布置的因素，如线缆的长短、线缆距离参考接地板的高度、线缆之间的距离、EUT的放置位置等因素都会影响分布参数，从而改变被测系统的谐振点，最终导致测试现象变化。

总之，一个产品中存在大量的谐振点，大部分是分布参数引起的，它很难测算，EMC测试频段从数KHz到GHz级，谐振点在这个频段范围内也很难避免（也可以说无法避免），因此它是EMC问题的一大难题，也可认为是EMC问题的最大本质。

5. 如何解决共振引起的EMC问题

虽然谐振无法避免，但是仍有措施可以降低EMC风险，主要措施有：

1、 增大LC分立元件参数的值，让LC谐振点远离测试频段范围，如电源滤波器设计时，就要求电源滤波器的谐振点远小于150KHz，此时滤波器才能取得较好的滤波效果；

2、 深刻理解EMC设计的精髓，控制分布参数值，（如减小接地线长度、缩短电容的引线、线间铺铜，减小信号回路面积等）。减小分布参数可以使谐振点频率变高，而随着频率的变高，骚扰源的谐波幅度也会越来越小，即使谐振，产生的整体骚扰也会变低；

3、 增加EMI信号源的上升沿时间，因为上升沿时间影响着信号源高次谐波的幅度，沿越缓，高次谐波幅度更低，就可以有效降低高频谐振频点上的幅度，如开关驱动信号中串电阻，并联电容等；

6. 工作中的“滤波器效应”

前面谈到滤波器，一个插入损耗值非常优秀的滤波器，放在产品中却不能发挥很好的滤波效果。什么原因，那是因为插入损耗值是滤波器作为单独个体时的性效能评价值，而滤波器用在产品中时，滤波器中电感和电容，也会与滤波器外的电感或电容发生谐振，导致滤波器内部器件与外部器件相互“合作”，改变原来信号的分布，表现为滤波效果失效。

在我们工作中，也经常会发生类似现象。在一个团队里，一位具有较强个体工作能力的员工，在团队里却不能发挥很大的价值。究其原因，是这位所谓强能力的员工，与团队之外的某个体之间有着千丝万缕的关系，并且在不断共振。这种关系的存在，会不断的、甚至最大程度的吸取着公司的利益。自然这位员工在公司是无法被评价为优秀的，甚至可以成为害群之马。这就是人事中的滤波器效应。

世界万物是一个共振体，也由无数个共振体组成，应该有效的选择共振体，让其产生正向效果，而避免共振带来的负面影响。