CTIMES / 文章 /

如何以最有效的測試方法區隔電磁波干擾源與其傳輸或耦合途徑   【作者： 陳勤南】   2001年10月05日 星期五

瀏覽人次：【16832】 電腦和電腦週邊產品之電磁波干擾(EMI； Electro Magnetic Interference)，是一項教人又氣又恨的物理現象。它常常因為無法通過國際上一些電磁波干擾的要求，讓人感到頭痛萬分；同時，其測試結果，往往亦無法很清楚的讓人馬上分辨出，究竟是那一部份線路，或是那一部份機構設計，產生嚴重的電磁波干擾，而教人感到束手無策。此外，即使讓您找到電磁波干擾源之後，緊接的卻是不知該如何著手解決。這時候，最常看到的情況是一些經驗較不足的工程師，正埋首做一些既浪費時間又不見得有效的防治對策－－「嚐試與錯誤」(Try and Error)。因此，要如何區隔電磁波干擾源及其傳輸或耦合途徑，實在是一門非常重要的課題。 電磁波干擾源和其傳輸或耦合途徑，通常是不會恰好就並排在附近的。舉例而言，一部電腦的電磁波干擾源可能來自其週邊產品之界面連接器(Interface Connectors)上，也可能源自其內部及外接配線之電磁耦合(Magnetic Coupling)，或是印刷電路板之佈局不良等等。然而，如果根據國際上一般電磁波干擾之測試規範，卻無法提供您區隔電磁波干擾源及其傳輸或耦合途徑的詳細資料，因此，適當地修改頻譜儀之頻寬解析度(Bandwidth Resolution)的顯示範圍，及應用一些基本電磁學常識，即可迅速區隔電磁波干擾源是發生在那一個特定的線路、週邊或是內部配線及其傳輸或耦合途徑。 簡單的說，區隔電磁波干擾源及其傳輸或耦合途徑最有效的技術，是研究個別線路之輻射(Emission) 特性。通常輻射強度之大小會隨週邊產品工作情況的改變而有所改變，而各週邊產品之間相同頻率之輻射強度是以各相同頻率之輻射強度平方相加開根號，其公式如下： E = √【(E1)(＋(E2)(＋(E3)(＋...】 因此，在電磁波干擾測試時，只要逐步拔掉或停止待測物週邊的工作、移開配線與配線之間的距離、或是讓不同功能之線路個別單獨工作，馬上就可以發現在不同的組合下，會得到不同的輻射強度。而透過上述不同組合所得到的結果，就可以清楚地區隔出電磁波干擾源及其傳輸或耦合途徑，可能是源自那一些週邊產品或是那一部份線路。 雜訊干擾源 以下先針對一些雜訊干擾源線路的特性作一番說明，以便更容易掌握如何去區分干擾源之種類： 電源電路中整流二極體之雜訊 這種狀況通常發生在整流二極體「開」或「關」之一瞬間。這些雜訊會隨著頻率的增加而消失在 2MHz 到 5MHz 之間。由於其工作週期(Duty Cycle)很低，因此，在頻譜儀上以近似峰值(Quazi Peak)讀值時會較使用峰值(Peak)讀值低 2 至 20dB 的誤差。在頻譜儀上之整流二極體雜訊，看起來就像間隔規律的旗桿一樣，排排而站十分明顯。其脈波數目的多寡是和頻譜儀掃描的速率成正比，即頻譜儀之掃描速率愈高則雜訊脈波數目愈多。圖一及圖二即為整流二極體雜訊在頻譜儀上顯示的情況。(圖一)(圖二) 《圖二 展開之整流二極體雜訊》

交換式電源供應器之雜訊

通常是源自電源供應器之交換線路(Switching Circuit)。和整流二極體之雜訊一樣，其輻射強度會隨著頻率增加而減小，且通常消失在 0.5 至 5MHz 之間，其輻射峰值之間隔頻率差(ΔF)和電源供應器之交換率(Switching Rate)相同，其典型的頻率是 20KHz 至 100KHz。圖三即為典型的電源供應器交換雜訊在頻譜儀上展開之情況。(圖三)

《圖三 展開之電源供應器雜訊一》

交流電源之濾波器雜訊

通常發生在選用獨立式而非和電源供應器一體的 EMI 濾波器，這是由於在 EMI 濾波器內的電感器和電容器，與電源供應器內的電感器、電容器及變壓器形成共振(Resonant)所致。在共振頻率點上，整個系統對電磁波干擾的衰減能力，會因為過強的干擾峰值(Peak)而亳無作用。而這些寬頻(Broadband)的干擾峰值一般出現在 200 KHz 至 2 MHz 的頻率範圍。更換及改變電磁波干擾濾波器內電感器和電容器的值，可降低其干擾峰值或偏移其峰值頻率。圖一及圖四即為電源供應器在頻譜儀上顯示共振的情況。

《圖四 展開之共振》

寄生諧振

寄生諧振(Stray Resonant)是發生於當線路在高頻工作時，出現不穩定或振鈴(Ringing)現象。此種現象常發生在輸入／輸出(I/O)之線驅動器(Line Driver)、映像管(CRT)之偏向放大器(Deflection Amplifier)、電源供應器以及射極隨耦器(Emitter Follower)等等。此種諧振可能發生在任一頻率上，而其振幅大小則隨溫度、負載及工作電壓的大小而改變。舉例而言，一部攜帶式 P III 電腦由於經過長時間的工作後，其內部可能會因其中央微處理機(CPU)散熱不良，造成其週邊線路零組件之諧振，以至產生高頻的干擾源，這不但會產生高頻的輻射，甚至會使其無法正常工作。

另外，一個電子裝置剛開機的時候，其電源供應器之工作頻率可能偏移一至五秒鐘，在這段幾秒鐘的時間裡，也會造成諧振，直到輸出穩定為止；一個線驅動器之諧振頻率和振幅大小，也會隨其所使用的配線種類或長短而改變；如 RS-232埠、列表機埠或是滑鼠埠等之外接配線，是否為金屬接頭或是絞線、金屬編織線，以及外接配線的長短等，都會造成不同強度之輻射結果。

此外，一些磁碟機之驅動線路是以頻率相位鎖定(Frequency-Phase- Locked)的方式來控制其轉軸的速率，因此，由這些線路所產生的輻射現象，並非出現在一穩定的頻率上，而是隨其驅動線路之頻率相位鎖定而任意輻射。同時，這類線路也會在電源打開的瞬間出現寄生諧振，以及經長時間工作後，因溫度響應而改變其輻射頻率的特性。因此，測試及區隔此類線路時，應特別加以注意，以免被誤導。

《圖五 展開之視訊雜訊》

視訊雜訊

視訊雜訊(Video Noise)，通常發生在監視器(Monitor)或使用於攜帶式電腦之液晶顯示器(LCD Display)的文字時脈(Clock)所產生的超強諧波(Harmonics)上。假若注意其諧波特性，即可輕易發現其文字時脈等於其點時脈率(Dot Clock Rate)，除以形成文字所需要的水平掃描點(Horizontal Scanning Dot)之數目。而此信號之工作週期(Duty Cycle)，則由螢幕上顯示的符號種類和數量的多寡所決定。同時，亮度和對比強度之大小，亦為決定輻射強度之重要因素，因為它和線路負載電流有很密切的關係。例如螢幕解析度為標準之 VGA；640 x 480 ；水平掃描為 31.5 KHz，則其導出的公式如下：

文字時脈 ＝ (640 x 480 x 8) ÷ 31500 ＝ 78.019

一般而言，以一個空白的螢幕和一個佈滿且不斷送出 「H」 或 「M」 文字的螢幕比較，它們之間在同一頻率輻射強度的差距，會在 10 至 25 dB 之間。因此，在測試時必須將螢幕佈滿 「H」 文字1，以求達到最惡劣的測試狀況。

假若要針對影像雜訊的頻譜作掃描，可將頻譜儀之掃描頻率(Scanning Frequency)先調整為「零」，然後再逐步調整至影像信號之諧振頻率，則頻譜儀上之螢幕，即可輕易顯示出由監視器所產生的輻射峰值，如圖五所示。(圖五)

邏輯干擾雜訊

在一般電腦產品中，邏輯干擾雜訊可說是最常見的現象。假若系統內部和外部的配線沒妥善配置好，則發生的邏輯干擾雜訊，不但會發生在傳導性干擾測試，同時也可能發生在輻射性干擾測試。

邏輯干擾雜訊通常出現在電源及輸入/輸出(I/O)線上，其範圍一般發生在 5 MHz 以上的頻率。以大多數的例子而言，邏輯干擾雜訊的特性，並非只有由單一諧振頻率所組成，其輻射的諧振頻率，通常和其基本時脈(Fundamental Clock)之頻率，是形成一簡單的倍頻關係。舉例而言，一個典型的數位系統並非只有使用單一工作頻率，以及使用單一的振盪器(Oscillator)或振盪子(Crystal)，甚至有些電腦產品，是採用時脈產生器(Clock Generator)，同時提供不同的工作時脈給系統。因此，只要從測試結果的輻射頻率著手，再將其輻射頻率、輻射強度，以及和其主頻振盪器的關係表格化，即可得到發生源的相關資訊。只要知道系統之工作頻率，再將其輻射頻率關係表格化，並非一件很困難的工作，但假若不知道系統之工作頻率，則必須先將輻射頻率和其各振盪器的比例(Ratio)先行整理，以便研判究竟是那一個時脈為發生源。

如果輻射頻率無法被各振盪器之主頻率所整除，則應改從其餘數著手。餘數為 0.5 則表示輻射頻率為二分之一振盪器主頻的諧波(Fx/2；其中 Fx 為振盪器之主頻)。同理，餘數為 0.2，0.4，0.8 則表示輻射頻率為五分之一振盪器主頻的諧波(Fx/5)；餘數為 0.125，0.375，0.625 則表示輻射頻率為八分之一振盪器主頻的諧波(Fx/8)。在此，特別要提起的是；在一個多重組合的系統中，輻射干擾可能源自其週邊裝置、模擬信號或是傳輸線的耦合，這些都是必須加以考慮的因素。

舉例而言，表一為一 FCC Class A 系統之輻射強度表，而此系統是由多個工作頻率各為18 MHz、20 MHz 以及將 20 MHz 除頻為 10 MHz 的振盪器和除頻線路所組成。由表上所歸類的結果可知，在 30 MHz、50 MHz 及 70 MHz 之輻射干擾完全源自 10 MHz 之時脈。由於以上輻射強度並未超過 FCC Class A 之限制，因此，在 10 MHz 工作的線路，並非造成超過限制的輻射發生源。根據諧波原理，由於時脈 10 MHz 之 3倍、5倍及 7倍頻，全數隨頻率增加而減小，同時輻射強度亦很低，因此，在 60 MHz 、100 MHz 及 140 MHz 之輻射，很可能是由 20 MHz 時脈所產生的。同理，和時脈 18 MHz 相關的輻射，亦隨頻率增加而減小，這表示以 18 MHz 時脈工作的線路，是造成 180 MHz 輻射的發生源。根據表一所示，可以確定的一點是 10 MHz 沒有問題，18 MHz 和 20 MHz 線路為頻率 100 MHz 以下主要輻射干擾源，而 18 MHz 也是超過頻率 100 MHz 以上之主要輻射干擾源。(表一)

如何判定雜訊干擾傳輸途徑

確定干擾源的源頭後，緊接著的是如何去尋找及判定干擾途徑。由於產生干擾的線路和傳輸的途徑往往不在一起，因此，信號特性並不能提供太多有關系統產生雜訊干擾的資訊。@小標:雜訊干擾源及其傳輸途徑的基本模式

《圖六 雜訊干擾源及其傳輸途徑之基本模式》

為了更有效的發揮區隔雜訊干擾源及其傳輸途徑，我們先簡介雜訊干擾源及其傳輸途徑的基本模式，以便更精確地掌握判定及區隔的技巧。(圖六)

一、傳導性干擾：

透過電源線或是其他纜線傳導的模式；

二、輻射性干擾

直接透過空氣輻射的傳輸模式；

三、傳導－輻射性干擾：

由於傳導性干擾而引發的輻射性干擾模式；

四、輻射－傳導性干擾

由於輻射性干擾而引發的傳導性干擾模式。

《圖七 系統內部因電容耦合或電感耦合導致雜訊輻射之模式》

區分傳輸途徑技術

區分傳輸途徑的技術，則有下列各種方式：

《圖八 無屏蔽或纜線接頭接地不良導致雜訊輻射》

傳導性干擾

在頻率 5 MHz 以下的傳導性干擾，通常發生在電源供應器之干擾源直接連接的線路上，要判定此干擾雜訊是共模式(Common-mode)或是異模式(Differential-mode)；有時亦稱常模式( Normal-mode)之最簡易的方法，是將一顆 0.001～0.1 μF 且無極性的電容器，橫跨在 AC 電源輸入線上或是在 AC 電源輸入線和靠近人工模擬網路(LISN; Line Impedance Stabilization Network)端之框體接地(Chassis)間，各別觀察其輻射強度是否有很大的變化，即可明顯地區隔出是共模式或是異模式雜訊。

大部份超過頻率 5 MHz 之傳導性干擾，均源自電容器和電感器交互耦合(Crosstalk)2至 AC 電源線所致。圖七說明其雜訊干擾可能傳輸的途徑，為了說明其間關係，玆將其分類予以介紹：(圖七)

DC 電源線、信號線和 AC 電源線綑綁在一起：

DC 電源線和信號線是主要的邏輯干擾源，不可以和無論有濾波器或無濾波器的 AC 電源線綑綁在一起，應將上述各類線材個別分開，看看是否會降低其輻射強度。另外，也可以用一顆高μ值及高感量的環形磁蕊(Toroidal Core)纏繞(至少一圈)在信號線上，以抵消信號線上之耦合雜訊。假若整個產品之框體接地(Chassis)很小片；如時下一般 15" 或 17" 監視器之設計，則有必要在其 AC 電源輸入端之接地線上，纏繞(至少兩圈)一顆高μ值及高感量的環形磁蕊，以抑制其他由接地線或信號回路(Return)之共模式雜訊。共模式雜訊的另一種解決方法，則是改變或增加各接地點。這樣可以破壞或縮小因接地點與接地點間所形成過大之環路(Loop)，以避免形成輻射之基本條件。同時，將部份之敏感線材改成編織線，也可以達到抑制輻射干擾的目的。假若已知是異模式雜訊，則不論是電源線或是信號線，均可個別將兩條線以絞線方式處理，或是插入一顆橫跨兩線間之旁路電容器(Bypass Capacitor)，亦可達到抑制效果。

輸入/輸出(I/O)線和電源線在系統外部綑綁在一起

假若一條屏蔽很差或是無屏蔽的輸入/輸出(I/O)線和鄰近的電源線綑綁在一起的話，則其邏輯雜訊將很容易耦合到 AC 電源線上。因此，將輸入/輸出(I/O)線和電源線分開，看看是否可降低其輻射強度，也是一種檢測干擾雜訊的方法。相反的，假若電源線和輸入/輸出線原本己經分開，也可以故意將它們綑綁在一起，看看測試結果是否變得比較差，以碓定它們分開的距離是否太近。因此，外觀設計工程師於外觀設計時，必須考慮先將 AC 電源輸入端子(AC socket)和其他輸入端子保持一些距離。原則上避免將較高速的界面端子和 AC 電源輸入端子緊鄰在一起。

邏輯雜訊從無屏蔽處理的外殼中，直接耦合到 AC 電源線上

此種耦合的情況和緊鄰一個吵雜的輸入/輸出線是一樣的。假如將一顆 0.001～0.1 μF 且無極性的電容器，橫跨在 AC 電源輸入線上或是在 AC 電源輸入線和靠近人工模擬網路(LISN)端之框體接地(Chassis)間，能有效的降低其耦合雜訊；但將同樣的電容器加在線路上，則幾乎無反應的話，由輸入/輸出線或內部線路和 AC 電源線間，產生交互耦合(Crosstalk)的機率就十分高了。

偏向高頻 10 MHz～30 MHz 的傳導性干擾，也可能源自邏輯雜訊經由電容器和電感器交互耦合(Crosstalk；也有人譯成『串音』；由於就字面不易了解其含意，因此改譯成『交互耦合』)至一些意想不到的線路或接地元件上。以監視器而言，最常見的情況是由視訊信號的時脈所衍生的諧波，隨著視訊纜線(Video Cable)耦合到 AC 電源線及其他內部配線上。遇到此種情況，假如把傳導性干擾抑制重點擺在電源供應器之濾波元件上，往往是一無所獲的，其原因是沒有對症下藥；應該轉向其內部所有接地配線及電源供應器之濾波線路接地點上，設法先確定那一條配線或接地點出了問題，然後再破壞或減小其環路。然而，其他產品則應將其雜訊諧波源頭之電路板走線徹查，看看是否太長抑或是那一個界面端子之接地阻抗太大，造成接地不良。舉例而言，個人電腦主機板上之鍵盤端子(金屬外殼)常因接地不良，極易造成雜訊諧波之耦合及輻射。

輻射性干擾

電源線和界面纜線(Interface Cables)之耦合輻射的成因是由於電源線和界面纜線比一般印刷電路板上之任何走線都長許多，因此，它可以更有效的將雜訊輻射出去。在一條長達一米多的纜線上，即使是很小的雜訊，皆可造成很強的輻射干擾。尤其是長度恰為輻射頻率四分之一波長之奇倍數時，更是如同一天線效應，達到最強之輻射。

玆將區隔及尋找此種輻射干擾的幾種方法說明如下：

@小標：輪留個別拔除界面纜線：

首先將所有測試週邊接上，且以一般標準測試程式先執行測試。取得測試數據後，再依序輪留個別拔除界面纜線測試，然後和原始取得的測試數據比較，則很容易分辨出是那一個界面纜線造成輻射干擾。一般來說，當某一個造成輻射干擾的界面纜線被拔除後，由它所造成的輻射干擾強度，會明顯的衰減甚至消除掉。因此，透過這種比較法，可輕易分辨出電源線和界面纜線的輻射干擾途徑。

以上的方法，亦可區隔電磁波干擾源是來自界面纜線還是系統本身。例如，假若不將週邊之界面纜線和主機連接在一起，可降低輻射強度；而連接主機這端的界面纜線，不連接週邊這端，卻無法降低輻射強度的話，則界面纜線就有問題。相反的，假設連接主機這端的界面纜線，不連接週邊這端，而可降低主機時脈的諧波強度，這表示邏輯雜訊經由界面纜線耦合至週邊上，且週邊裝置變成一輻射體，即使此週邊並無任何高頻線路或高頻時脈。這種現象常發生在電腦主機所產生的影像信號之諧波，從監視器裡面未經屏蔽處理的界面纜線輻射出來，如圖八所示。(圖八)

利用軔體(Micro Code)控制個別界面輸出

有些產品並非像個人電腦一樣擁有許多輸出界面，因此，無法以現有通行於各實驗室之標準程式測試。例如平台式掃描器及傳真機等產品；它必須以軔體方式控制其操作，以便達成最惡劣的測試條件。

透過軔體的控制，我們也可以很容易分辨出它的輻射干擾途徑，是由機器內部那一部份控制線路所耦合成的。以平台式掃描器而言，我們可以製作不同功能的軔體，讓不同功能的控制線路個別工作，再比較各種測試條件的結果。比方說；製作一個只讓燈管定時點燈及熄滅，而其他控制線路維持靜待指令(Standby)狀態的軔體。抑或是製作一個只讓步進馬達來回工作，而燈管不點燈的軔體等等。比較由這些不同功能的軔體所測得的結果，就可以很容易分辨出它的輻射干擾途徑，是由機器內部那一部份控制線路所耦合成的。

改變界面纜線的擺設

在測試當中，針對某些特定頻率的輻射強度，也可以改變界面纜線的擺設來加以比較。隨著不同界面纜線的擺設，假若界面端子之接地點接觸不好的話，那些特定頻率的輻射強度，就會有很大的變化。要解決此種現象，可以加強界面端子之接地點和應用一顆高μ值及高感量的環形磁蕊貫穿界面纜線，且以靠近界面端子為佳。有時尚需針對界面端子之時脈(Clock)或數據(Data)信號做一些低通濾波線路處理，例如鍵盤或滑鼠之界面端子。

利用夾具磁蕊(Clip-Type Toroidal Core)比較測試結果

有些產品之界面纜線很長，極易造成電磁波干擾之輻射。因此，為了確認某些電磁波干擾頻率，是由那一條界面纜線所輻射出來，往往可以利用夾具磁蕊先後依序夾住各別的界面纜線，再比較其測試結果，就很容易區隔出那些電磁波干擾頻率，是由那一條界面纜線所輻射出來。切記在使用夾具磁蕊時，一定要先了解該磁蕊之特性及有效頻率使用範圍，以免因使用了錯誤的磁蕊而誤導了判斷的方向。

利用探針(Probe)直接量測印刷電路板

最常犯的錯誤即「隨意取一探針來區分電磁波干擾之傳輸途徑」。例如，發現電磁波干擾頻率為某一振盪器之倍頻，因而隨意取一探針直接接觸在振盪器的線路上，而所量測到的電磁波干擾強度，往往比直接接觸在靠近界面纜線的線路上，所量測到的電磁波干擾強度高許多。而振盪線路之長度卻遠短於界面纜線的長度，照理來說，前者之輻射強度應遠小於後者才對，但其實不然。因此，利用探針直接量測印刷電路板的方法，只適合用於修改某一振盪器波形之高頻成份，而不適用於區分電磁波干擾之傳輸途徑。

共振長度之輻射

當一金屬外殼或介面的纜線成為某一頻率之共振點時，強大的輻射波就會出現。例如，有許多桌上型系統，雖然沒有配上其他週邊產品，卻常在 50 MHz 至 100 MHz 之間的頻段無法通過測試，原因就在於其電源線的長度太長，以致恰為系統共振點之四分之一波長或是其四分之一波長倍數關係。

要確定這種是否由電源線長度形成共振而導致的輻射波，可以傳導性測試的方法來測試 30 MHz 至 100 MHz 的頻段。假若真的是由電源纜線長度形成共振而導致輻射波的話，則您將發現用傳導性測試的方法，透過人工模擬網路(LISN)所測得之高頻(30 MHz 至 100 MHz )傳導干擾和使用一寬頻〈雙錐形〉天線 (e.g. Biconical ant.)所測得的輻射性干擾(30 MHz 至 100 MHz )結果，其比例大小是十分類似的。因此，只要透過傳導性測試的方法，進行電磁波干擾的區隔或修改，則反倒容易掌握其成效。

一個系統內部的機構組裝如金屬外殼、屏蔽金屬片及接地金屬片等等，也會有如上述類似的結果，可以常用於量測偶極天線長度之頻率捲尺，來檢測系統其他部份之共振頻率。通常，主要輻射問題常發生在系統之電氣長度或寬度，因和系統時脈之諧波頻率產生共振所致。

不良之隔離接地

不良之金屬機構組裝和屏蔽接地極易造成很強之輻射；如金屬屏蔽之開孔可視為一溝槽天線 (slot antenna)。一種最有效之接地檢測方法，就是直接量測系統內鄰近兩個金屬接地之阻抗，原則上，阻抗值必須小於 1 mΩ。另一種快速檢測方法，就是直接量測橫跨縫隙 (seams) 或開孔之 RF 電壓。一般而言，一個良好之金屬機構，其橫跨縫隙或開孔之 RF 電壓是均勻分佈的。

以上即為筆者實務工作之所見，均為目前最常遇見的狀況及應對方式，一旦解決電磁干擾的問題，產品效能將能立即提昇。