EMC近场远场概念与整改小技巧分享

一、近场与远场的区别

骚扰通过空间传输实质上是骚扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。场可分为近场和远场。

近场又称感应场。近场的性质与骚扰源的性质密切相关。

1、如果骚扰源是高电压，小电流的源，则近场只要是电场。如下图所示偶极子天线模型，天线两极间有一定电压但电流较小，主要是空间的位移电流。则在偶极子天线附近，电场大于磁场。

实际中，进出EUT的电缆与参考大地之间就形成一个偶极子天线，只不过两根天线的夹角不是上图的180°，而是0°。即进出EUT的电缆与参考大地平行，两者之间的寄生电容上会有共模的位移电流。

2、如果骚扰源是低电压大电流的源，则近场主要是磁场。如下图所示的环形天线模型。则天线周围的磁场大于电场。

实际中，PCB走线的环路，进出EUT的电缆正负极之间的差模电流回路，都是环形天线，都会向外辐射信号，同时也容易接收其它设备发出的干扰信号。

3、我们常用波阻抗来描述电场和磁场的关系

Z0 = E / H

则，对于上面所说的偶极子天线，其E大于H，则Z0较大，所以电场源又称高阻抗场源；对于上面所说的环形天线，其H大于E，则Z0较小，所以磁场源又称低阻抗场源。

4、无论场源是电场源还是磁场源，当离场源的距离大于λ/2π以后，都变成了远场，又称辐射场。这时电场和磁场方向垂直并且都和传播方向垂直，称为平面波。

这时电场和磁场比值为固定值，波阻抗Z0 = 120*π 为377Ω，电场和磁场都以 1/r (r为距离) 的速率随距离减小。

5、远场是平面波，比较容易分析和测量，只需测量电场就能算出磁场。近场比较复杂，电场和磁场不易互相转换，需要分别测量。同时由于近场场强的强度随距离的变化强烈，所以，位置的微小变化都会引起较大的测量误差。

6、对于距离较远的系统间的电磁兼容问题，一般都用远场来分析。对于系统内，特别是同一设备内的问题，基本上都是近场耦合问题。

二、波长

电磁波在空气中的传播速度接近光速。

波长λ = C / f = 3x10^8 / f (频率f单位Hz)

如，f=10MHz，λ=30米

近场远场分界线 r =λ/2*3.14=4.77米。

即频率为10MHz的电磁波发射源，在离发射源大于4.77米时，为远场，小于4.77米时，为近场。

三、米法

当评估产品产生的辐射发射时，测量天线主要测量1m或3m或10m处的辐射信号。这也是我们常说的1米法、3米法、10米法。

对于骚扰信号频率的升高，天线所在位置对越高频的骚扰来说就越接近远场。

四、位置

EUT内部，比如滤波器中的元件之间也会产生近场耦合效应，从而降低滤波器的滤波效果。比如两级共模滤波的电感之间，距离较近，则两个电感之间就会产生电场和磁场的耦合。

以共模电感为例，其周围的电磁场泄露见下图，可见要避免在其上下两绕组开口处放置敏感器件，此两处漏磁场密度最高，强度最大。

在进行EMI滤波器的元器件布置时，也要考虑漏磁场，漏电场的影响。

五、开关电源中的电场与磁场

1、上图可看出开关电源输入/输出电缆对地产生的共模电流会产生磁场，即电缆可看成一根天线。

2、开关电源内部的高DV/DT的点，也会通过对壳寄生电容产生位移电流，类似偶极子天线。

3、开关电源内部的高DI/DT环路，可看出环形天线。

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器；开关频率不高(从几十kHz和数mHz)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。

a. 1MHz 以内以差模干扰为主，增大X电容就可解决。

b. 1MHz～5MHz 差模共模混合，采用输入端并一系列X电容来滤除差摸干扰并分析出是哪种干扰超标并解决。

c. 5MHz～10MHz 以共摸干扰为主，采用抑制共摸的方法。

d. 10MHz～25MHz 对于外壳接地的，在地线上用一个磁环绕2圈会对10MHz以上干扰有较大的衰减。

e. 25～30MHz 可以采用加大对地Y电容、在变压器外面包铜皮、改变 PCB的LAYOUT、输出线前面接一个双线并绕的小磁环，最少绕10圈，在输出整流管两端并RC滤波器。

f. 30MHz～50MHz 普遍是MOS管高速开通关断引起，可以用增大MOS驱动电阻，RCD缓冲电路采用1N4007 慢管，VCC供电电压用1N4007慢管来解决。

g. 100～200MHz 普遍是输出整流管反向恢复电流引起，可以在整流管上串磁珠。100MHz～200MHz 大部分出于PFC MOSFET及PFC二极管，现在MOSFET及PFC二极管串磁珠有效果，水平方向基本可以解决问题，但垂直方向就很难解决了。

开关电源的辐射一般只会影响到100MHz以下的频段。也可以在MOS二极管上加相应吸收回路，但效率会有所降低。

设计开关电源时防止EMI的措施：

1 把噪音电路节点的PCB铜箔面积最大限度地减小；如开关管的漏极、集电极、初次级绕组的节点等。

2 使输入和输出端远离噪音元件，如变压器线包、变压器磁芯、开关管的散热片等。

3 使噪音元件(如未遮蔽的变压器线包、未遮蔽的变压器磁芯、开关管等)远离外壳边缘，因为在正常操作下外壳边缘很可能靠近外面的接地线。

4 如果变压器没有使用电场屏蔽，要保持屏蔽体和散热片远离变压器。

5 尽量减小以下电流环的面积：次级(输出)整流器、初级开关功率器件、栅极(基极)驱动线路、辅助整流器等。

6 不要将门极(基极)的驱动返馈环路和初级开关电路或辅助整流电路混在一起。

7 调整优化阻尼电阻值，使它在开关的死区时间里不产生振铃响声。

8 防止EMI滤波电感饱和。

9 使拐弯节点和次级电路的元件远离初级电路的屏蔽体或者开关管的散热片。

10 保持初级电路的摆动的节点和元件本体远离屏蔽或者散热片。

11 使高频输入的 EMI 滤波器靠近输入电缆或者连接器端。

12 保持高频输出的 EMI 滤波器靠近输出电线端子。

13 使EMI滤波器对面的PCB板的铜箔和元件本体之间保持一定距离。

14 在辅助线圈的整流器的线路上放一些电阻。

15 在磁棒线圈上并联阻尼电阻。

16 在输出RF滤波器两端并联阻尼电阻。

17 在PCB设计时允许放1nF/500V陶瓷电容器或者还可以是一串电阻，跨接在变压器的初级的静端和辅助绕组之间。

18 保持EMI滤波器远离功率变压器，尤其是避免定位在绕包的端部。

19 在PCB面积足够的情况下，可在PCB上留下放屏蔽绕组用的脚位和放RC阻尼器的位置，RC阻尼器可跨接在屏蔽绕组两端。

20 空间允许的话在开关功率场效应管的漏极和门极之间放一个小径向引线电容器(米勒电容，10皮法/1千伏电容)。

21 空间允许的话放一个小的RC阻尼器在直流输出端。

22 不要把AC插座与初级开关管的散热片靠在一起。