容性耦合导致产品辐射发射超标案例
问题描述
某产品在实验室测试辐射发射时，在1MHz-5MHz频段辐射发射裕量不足，在50MHz-100MHz频段辐射发射超标15dB，如图1所示，实验不通过。
图1 1MHz-100MHz辐射发射超标
故障诊断
整机为金属屏蔽机箱，机箱上无开孔，上下壳体缝隙有导电橡胶条，确认机箱屏蔽良好。查看超标频谱，根据频率与波长关系，1MHz-5MHz和50MHz-100MHz频段对应的波长只有线缆长度与其可比拟，因此怀疑线缆产生的问题。
系统共有AC220V电源线、RS422信号线、射频信号线共三根I/O线缆，其中射频信号线为屏蔽线，一端连接天线，一端与设备连接，屏蔽层与金属连接器包括机箱都为360°端接，屏蔽良好。AC220V电源线和RS422信号线为普通线缆，因为AC220V电源加装有电源滤波器，因此，开关频率产生的1MHz-5MHz电磁干扰可以排除电源线问题。
经过以上分析，怀疑产品辐射发射超标与RS422信号线有关，拔除RS422信号线，测试频谱如图2所示。
图2 拔掉RS422线缆30MHz-100MHz辐射发射
从图2可以看出，拔掉R422线缆后50MHz-100MHz频段电磁干扰消失，因此，确定引起50MHz-100MHz辐射发射的为RS422信号线。
问题分析
打开机箱，查看整机内部结构，如图3所示。
图3 产品内部结构和布线
从图3可以看出，产品AC220V电源输入、RS422信号线、电源模块DC输出三根线缆捆扎在一起平行布线，其中RS422内部跳线长度约300mm，初步怀疑信号跳线耦合AC输入和DC输出的干扰导致问题。
开关电源工作在高频开关工作状态，其在工作时会产生很强的电磁干扰，而开关电源的输入输出线缆，会成为电磁干扰的重要耦合途径。RS422信号线和开关电源输入输出线困扎在一起，此时两者之间会产生容性耦合，如图4所示。
图4 容性耦合串扰原理
从图4可以看出，I/O接口RS422信号线会耦合电源输入输出线上的干扰，从而引起RS422信号线的辐射。将RS422跳线与AC输入及DC输出的跳线从空间上分开，如图5所示。
图5 RS422信号线与电源线分开
图6 RS422信号线与电源线分开辐射发射
从图6可以看出，此时虽然50MHz-100MHz干扰频率下降，但同时新增50MHz和200MHz窄带干扰，在图中是有规律的频点，判断是时钟信号的谐波。查看单板，主板上有25MHz晶振，调整后的RS422信号线正好布置在晶振之上，产生耦合所致，如图7所示。
图7 RS422信号线与25MHz晶振耦合原理
根据以上分析及验证，RS422信号线跳线较长，极易耦合系统内部线缆、器件的噪声从而导致辐射发射问题。
整改措施
将RS422信号跳线与AC220V输入及DC输出、电源模块接口以及主板从空间上隔离，从屏蔽壳体的电源模块上方引到I/O接口，如图8、图9所示。
图8 隔离RS422信号线和电源示意图
图9 隔离RS422信号线和电源实物图
整改效果
按以上方案整改后，分别测试10KHz-30MHz和30MHz-200MHz频段辐射发射，如图10所示。
图10 隔离RS422信号线后辐射发射
从图10可以看出，整改后1MHz-5MHz开关频率谐波和50MHz-100MHz幅度降低15dB以上，实验通过。
总 结
人人都说EMC是黑匣子，是玄学，因为很难确定干扰的机理是什么，很多问题都让人莫名其妙，匪夷所思。典型的如线缆平行布线，咋一看两根线缆之间相互绝缘，平行布线时相安无事，天下太平。但实际上，由于线-线间的电磁场耦合，可能会触动电磁干扰的逆鳞，一招不慎，满盘皆输。本案例产品辐射发射超标，经过缜密的诊断和分析，为产品线-线间容性耦合所致，后通过将不同种类、不同性质的线缆分类布线成功化解。善哉，EMC是黑匣子乎？！没掌握思路和方法，肯定是，反之，岂会是！
