01

頻譜的含義

頻譜是將電磁波分解為正弦波分量，并按波長順序排列的波譜，就是將具有復雜組成的東西分解（頻譜分析儀）為單純成分，并把這些成分按其特征量的大小依序排列（部分不計），橫軸作為頻率，縱軸作為功率或電壓。

圖1-1：頻譜的定義

從圖1-1可以看到，數(shù)字波形是由多種頻率疊加而形成的，示波器和頻譜儀分別從兩個視角獲得一個數(shù)字波形的不同信息，示波器獲得bit信息，頻譜儀獲得頻譜信息或者能量信息。
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圖1-2：示波器角度的數(shù)字波形

在圖1-2表示開關(guān)信號的脈沖波形中，包括tw（脈沖寬度）和ts（上升/下降時間）。

圖1-3：連續(xù)化的頻譜圖

圖1-3是基于傅里葉變換的理論上的脈沖波形頻譜，這是一個連續(xù)化頻譜，振幅隨著頻率的升高而衰減，衰減斜率隨著tw和ts而變化。藍色線表示脈沖的ts變慢后的頻譜變化，斜率變?yōu)?40dB/dec 時的1/𝜋ts頻率降低（向左偏移），最終結(jié)果是其后的振幅減少，即當ts延遲時頻譜的振幅衰減，頻譜下降。

02

影響頻譜的因素

對于信號波形的變化，頻譜將以怎樣的趨勢變化，使用實際的頻譜分析儀數(shù)據(jù)來分析頻率等其他參數(shù)變化時的頻譜變化。這里將通過實際的DC-DC的開關(guān)相關(guān)的頻譜來分析并解決EMC問題時所需要的理論知識。圖1-4中的圖形是初始條件下的數(shù)據(jù)：

振幅=10V，頻率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns。

中間的圖表示n次諧波和振幅（V）的關(guān)系，1倍的頻率＝基波，400kHz的分量最大，以奇數(shù)倍的頻率形成頻譜。僅產(chǎn)生奇次諧波是Duty為50%（＝1：1）的頻譜特征，各分量的大小為基波分量的1/次數(shù)，例如3次諧波分量為1/3，n次諧波分量為1/n。

最下面的圖是振幅為dBμV的對數(shù)曲線圖，dBμV是基于以1μV電壓為基準的電壓比的dB 值（1μV＝0dBμV）。

圖1-4：初始波形

圖1-5：將頻率提高到2MHz

圖1-5是將頻率提高到2MHz時的頻譜，從頻率--振幅（dBμV）關(guān)系圖可以明確看出，當基波頻率增高時，整個頻譜會向右（頻率高的一側(cè)）偏移。

圖1-6：tr和tf的速度都減慢為100ns

圖1-6是tr和tf的速度都減慢為100ns時的頻譜，由于進入-40dB/dec衰減時的頻率降低，因此高次諧波的頻譜振幅衰減。

圖1-7：將Duty從50%變?yōu)?0%

圖1-7是將Duty從50%變?yōu)?0%時的頻譜，由于Duty不是1:1，因此會產(chǎn)生偶次諧波，但峰值基本上沒變化，隨著脈沖寬度tw變窄，基波頻譜的振幅衰減。

圖1-8：僅將tr（上升時間）減慢

圖1-8是僅將tr（上升時間）減慢時的頻譜，tr相關(guān)的高次諧波分量因tr變慢而衰減。即僅上升速度減慢 ? 上升分量相關(guān)的高次諧波衰減?？偠灾?#xff0c;當基波頻率較低且上升/下降較慢時，諧波頻譜會衰減，從EMC的角度來看，也就是頻譜的振幅較低時更有利。

小結(jié)：

高頻化--->頻譜整體增加

上升/下降速度減緩--->低頻段衰減-40dB/dec

Duty變更--->發(fā)生偶數(shù)次高次諧波，但對頻譜的峰值無影響，基波下降

僅上升速度減緩--->上升成分在低頻段衰減

頻率越低--->上升/下降越慢，頻譜越低

03

EMC概念定義

EMC（Electromagnetic Compatibility），電磁兼容性，即不對其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，并且受到來自其它設(shè)備的電磁干擾時，系統(tǒng)運行不受影響，仍保持原有的性能。EMI（Electromagnetic Interference），電磁干擾，由于IC工作產(chǎn)生噪聲EMI，給周邊IC和系統(tǒng)帶來干擾或者干擾性的電磁波，所以需要設(shè)計不產(chǎn)生EMI的電路。

EMS（Electromagnetic Susceptibility），電磁干擾敏感度或電磁敏感性，即使受到EMI影響也不會造成干擾的能力與耐受性，需要設(shè)計能承受EMI的可靠性電路。測試領(lǐng)域里面EMI分為兩種，傳導噪聲（Conducted Emission）和輻射噪聲（Radiated Emission）。

傳導噪聲是指經(jīng)由線體或PCB板布線傳導的噪聲，輻射噪聲是指排放（輻射）到環(huán)境中的噪聲。對于這些噪聲，EMS中分別都有耐受性要求，稱為傳導抵抗力（Conducted immunity）和輻射抵抗力（Radiated immunity）它們的關(guān)系如下：

圖1-9：EMC分支

04

輻射機理

圖1-10：交直流對比

處在直流狀態(tài)的電信號，f=1/T，T足夠長，可以理解其基頻信號頻率為0，那么它的各種奇次偶次諧波也是0，即沒有高頻信號，只會產(chǎn)生磁通。而處在交流狀態(tài)的電信號，會產(chǎn)生不斷變化的磁場，不斷變化的磁場又會產(chǎn)生不斷變化的電場，循環(huán)這一過程，引入位移電流的概念，就是輻射的核心機理。

圖1-11：數(shù)字波形高頻含量輻射

從板級的角度考慮，頻率越高的噪聲，波長越短，所需的輻射天線越小，就越容易輻射到空氣中，這也是高速信號需要屏蔽的根據(jù)之一。

圖1-12：位移電流概念

圖1-13：探測輻射的過程

對于輻射值的標準，各個領(lǐng)域，各個國家依據(jù)的標準都不一樣，世界通用標準是CISPR，而日本：VCCI Class、美國：FCC、歐洲：EN，還有就是把CISPR作為基準來自定義設(shè)定規(guī)定值，各個標準依據(jù)電子產(chǎn)品的不同細分為各種子標準。