接地方式对辐射发射的影响分析

以下文章来源于电子工程师之家

书接上回，前文我们介绍了EMC的三大法宝之一的接地，本次我们就接地方式对辐射发射的影响举例分析。

Part 1现象描述

某产品外壳为金属，产品结构安装框架示意图如下图所示。

在该产品中，PCB只有一个工作地，PCB的工作地与金属外壳无连接。

该产品按CISPR22(是欧洲信息技术设备ITE广泛使用的电磁兼容标准，- 无线电干扰特性 - 限值和测量方法)标准进行辐射发射测量时，发现该产品在频率73.77MHz处的辐射发射值超过了限值线(参考下图)。

按照前文《EMC的三大法宝之一：接地(二)》中介绍，为了获得良好的EMC效果，产品在设计时，建议将PCB的工作地直接或通过电容在连接器处接至金属壳体(如下图)：

按照上图示意进行修改后，对产品按照CISPR22标准进行重新测试，测试结果如下：

从测试结果看， PCB的工作地在连接器附近直接接至产品金属壳体时虽然导致73.77MHz频率处的辐射降低至限值以下， 但是其它如363.56MHz频段附近的测试结果反而超过了限值。这真是按下葫芦浮起瓢啊。

难道前文介绍的结论有误?

结论肯定是没有问题的，具体原因请听我娓娓道来。

Part 2原因分析

如下图所示，为PCB接地降低辐射的原理解析。

当 PCB的工作地在电缆接口处与外壳相连时，产生的 ICOM2电流可以旁路本来要流入线束的共模电流 ICOM1 ， 从而降低了产品因线束成为等效发射天线而引起的辐射发射幅值。

这就是之前73.77MHz频率处的辐射降低至限值以下的原因。

那为啥363.56MHz频段附近的测试结果反而超过了限值?

那是因为我们的接地不但要考虑位置，还要考虑接地方式，并不只简单的接通即可。

在上面的测试中，实际上是直接用导线将PCB和外壳接在一起的，如下图所示：

在图中，PCB的地与外壳互联的导线存在较大的寄生电感(如10cm的导线，可以等效为100nH的寄生电感)。

如下图所示为接地存在问题时的解析图，

如图所示，接地线等效电感LP和PCB与外壳的寄生电容CP1可以形成LC串联谐振，谐振频率由LC的参数(L与线缆长度和线径有关，C和PCB与外壳之间的距离有关)来决定。

谐振时，回路阻抗最小， 一方面 ICOM2将达到最大，另一方面电感LP和电容CP1两端的电压也将达到最高。

正因为谐振时LP两端的电压达到最大值， 所以ICOM2也将达到最大，相应的，谐振频率点上的辐射也达到最高值。

这就是为何PCB的工作地与产品金属壳体互联后反而使得产品的辐射在某些频点上变高的根本原因。

Part 3处理措施

由分析可以看出，某些辐射频点超标是由于引线电感和寄生电容串联谐振引起的，所以消除谐振或将谐振点频率保持在测试频段范围之外， 就可以有效解决此问题。

那要如何做呢?

实际上只需要将互联接地线改为一片长宽比小于3的金属片或者接地柱即可。

修改优化后的辐射如下图，顺利通过。

Part 4思考和启示

经过上面的分析，我们都可以得到下面的结论：

对产品的PCB进行接地时，不但位置要对(靠近电缆出口处)，接地方式同样重要。原则上，在测试频段范围内，PCB与外壳之间需要形成等电位的互连。

如果不能形成等电位的互联，会引起个别谐振频点出现超限值的现象。

所谓的等电位互连， 就是实现在EMC的测试频段范围内PCB的工作地与产品金属壳体之间形成较低的阻抗(包括寄生电感感抗和电阻)。

如何实现等电位互联呢?可以参考下面两种方法：

1)PCB和工作地和产品外壳之间采用主动搭接的形式(如将PCB的地平面与产品外壳的金属表面用螺钉锁紧;或者在PCB的工作地和外壳之间用导电材料进行填充)

2)如果PCB的工作地和产品金属外壳之间用其它导体互联，则要求导体的长宽比小于3(通常导体长宽比要求小于5，小于3效果更好)，导体和PCB以及外壳之间采用主动搭接的方式。