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1.      共振的原理

 

共振可以說是一種宇宙間最普遍和最頻繁的自然現(xiàn)象之一，在某種程度上甚至可以說共振就沒有世界。共振現(xiàn)象在生活中也被廣泛應(yīng)用，蕩秋千暫且不論，看的電視，上的網(wǎng)絡(luò)，甚至是眼睛看到的一切事物，都是根據(jù)共振原理而接受信號的。

 

共振的原理是大部分事物都是由分子組成的，每種分子都有固有頻率，當某種能量接近它的固有頻率時，它將更容易釋放或吸收能量，帶來的效果就是振動效果的放大。因此，共振也是同一物理系統(tǒng)在其自然的振動頻率下趨于從周圍環(huán)境吸收更多能量，從而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象。這些特定頻率稱之為“共振頻率”。

 

2.      共振的現(xiàn)象

 

自然中有許多地方有共振的現(xiàn)象如：樂器的音響共振、太陽系一些類木行星的衛(wèi)星之間的軌道共振、動物耳中基底膜的共振，電路的共振等。

 

19世紀初，一隊拿破侖士兵在指揮官的口令下（另一種說法是二戰(zhàn)期間的德國），邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過法國昂熱市一座大橋。快走到橋中間時，橋梁突然發(fā)生強烈的顫動并且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。后經(jīng)調(diào)查，造成這次慘劇的罪魁禍首，正是共振！

 

 機床運轉(zhuǎn)時，運動部分總會有某種不對稱性，從而對機床的其他部件施加周期性作用力引起這些部件的受迫振動，當這種作用力的頻率與機床的固有頻率接近或相等時，會發(fā)生共振，從而影響加工精度，加大機械鋼鐵的疲勞破壞，加大機械的損害力度。

 

 弦樂器中的共鳴箱、無線電中的電諧振等，就是使系統(tǒng)固有頻率與驅(qū)動力的頻率相同，發(fā)生共振。電臺通過天線發(fā)射出短波/長波信號，收音機通過將天線頻率調(diào)至和電臺電波信號相同頻率來引起共振。

 

音樂的頻率、節(jié)奏和有規(guī)律的聲波振動，是一種物理能量，而適度的物理能量會引起人體組織細胞發(fā)生和諧共振現(xiàn)象，這種聲波引起的共振現(xiàn)象，會直接影響人的腦電波、心率、呼吸節(jié)奏等，使細胞體產(chǎn)生輕度共振，使人有一種舒適、安逸感，音律的變化使人的身體有一種充實、流暢的感覺。它活化了體內(nèi)的細胞，加快了血液的流動，激活了人的物理層次的生命潛能。當人處在優(yōu)美悅耳的音樂環(huán)境中，可以改善精神系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的功能，促使人體分泌一種有利健康的活性物質(zhì)，提高大腦皮層的興奮性，振奮人的精神，讓人的心靈得到了陶冶和升華。所以，運用音樂產(chǎn)生的共振，可以緩解人由于各種因素造成的緊張、焦慮、憂郁等狀態(tài)。

 

3.      電路共振（諧振）

 

電路中也會引起共振（通常叫諧振）。

 

不同頻率信號通過LC串聯(lián)電路時，頻率較高的信號通過電感會衰減很大，而直流信號則無法通過電容器。當輸入信號的頻率等于LC諧振的頻率時，LC串聯(lián)電路的阻抗最小。此時，經(jīng)過LC電流達到最大。信號很容易通過電容器和電感器輸出。此時，LC相當于向信號源吸收了最大的電流。

 

 不同頻率的信號通過LC并聯(lián)諧振電路時的狀態(tài)，根據(jù)電感器和電容器的阻抗特性，較高頻率的信號則容易通過電容器到達輸出端，較低頻率的信號則容易通過電感器到達輸出端。LC回路在并聯(lián)諧振頻率處的阻抗最大，諧振頻率點的信號不能通過LC并聯(lián)振蕩電路。此時，相當于LC并聯(lián)回路向電源吸收了最大的電壓。

 

4.      80%以上的EMC問題與共振有關(guān)

 

  a)      濾波器內(nèi)部共振

 

產(chǎn)品的EMC問題在電路中可以解釋為各種額外回路的形成，這種回路中存在大量的諧振現(xiàn)象，因為回路中總少不了電感、也少不了電容。

 

可以說80%以上的EMC問題都與諧振有關(guān)。諧振使EMC問題的解釋變得更加復(fù)雜，在EMI方面諧振會插入損耗很高的濾波器濾波效果失效。下圖是濾波器的插入損耗圖，圖中的尖峰就是濾波器件LC形成的諧振點，在該頻率上，LC濾波器不但沒有濾波效果，而且還會放大原來的EMI信號。因此，濾波器中電感電容參數(shù)選擇時，其諧振點一定要遠小于被濾波的頻點。

 

 

 除了濾波器內(nèi)部器件所形成的諧振點，濾波器中的濾波參數(shù)還與與濾波器之外的LC參數(shù)發(fā)生諧振。如：

 

濾波器中的電感與濾波器之外的分布電容諧振；

 

濾波器中的電容與濾波器之外的分布電感諧振；

 

濾波器中的分布電容與濾波器之外的分布電感諧振；

 

濾波器中的分布電感與濾波器之外的電感諧振等。

 

 …… 好可怕?。?！

 

這也是為何一個插入損耗值非常好的濾波器，在實際產(chǎn)品中卻發(fā)揮不出其應(yīng)有的衰減效果的原因。

 

  b)     諧振會讓EMI發(fā)射值變得更高

 

下圖所示是，有個產(chǎn)品內(nèi)部的接地線過長，導(dǎo)致內(nèi)部的近場噪聲耦合到紅色的接地線上，在電路上，表現(xiàn)為干擾從分布電容耦合到接地線，接地線的分布電感與耦合電容串聯(lián)諧振。在諧振時，接地線AG兩端的電平最高，最終導(dǎo)致設(shè)備外接的系統(tǒng)接地線上的共模電流最大，輻射最高。

 

 

下圖是進行傳導(dǎo)騷擾測試時，EUT的接地線、電源線、參考接地板、LISN組成回路的諧振點與EUT中騷擾源頻率的諧波同頻，諧振時，騷擾源會在EUT的接地線、電源線、參考接地板、LISN組成回路中感應(yīng)出最大的共模電流，從而導(dǎo)致該諧振頻點上傳導(dǎo)騷擾值最高。

 

 

 

變EUT的接地方式后（即如下圖所示，將EUT的接地線平行與電源線布置），傳導(dǎo)騷擾值大大下降。

 

 

下圖是開關(guān)電源中，功率管上的高dV/dt由于PCB布局布線的原因，引起與電源輸入印制線間的容性耦合。在等效電路上，引起容性耦合的分布電容與電源端口的電感值引起諧振，最終導(dǎo)致LISN兩端產(chǎn)生較高的EMI電位差，傳導(dǎo)騷擾超標。

 

 

下圖也是開關(guān)電源中，開關(guān)回路主回路中的分布電容和分布電感發(fā)生諧振，當開關(guān)信號的諧波頻率與諧振頻率同頻時，主回路中的電流達到最大，從而引起向外部共?；芈返母行择詈?，最終使共模傳導(dǎo)騷擾超標。 

 

 

  c)      共振會讓干擾變大

 

在抗擾度方面，諧振也會在特定的頻點上表現(xiàn)出最強的干擾能力，最典型的測試表現(xiàn)是進行頻率掃描的抗擾度測試時，同樣的干擾值（如RS測試10V/m），卻只在某個特定的頻點fail。原因是因為干擾頻率與系統(tǒng)某LC諧振點同頻時，就可能感應(yīng)出最大的感應(yīng)電流，如果該感應(yīng)電流是經(jīng)過PCB板的，那么此時PCB板上就相當于出現(xiàn)了最大的干擾。

 

諧振也會讓測試的復(fù)現(xiàn)性變差，因為EMC測試時，有關(guān)測試布置的因素，如線纜的長短、線纜距離參考接地板的高度、線纜之間的距離、EUT的放置位置等因素都會影響分布參數(shù)，從而改變被測系統(tǒng)的諧振點，最終導(dǎo)致測試現(xiàn)象變化。

 

總之，一個產(chǎn)品中存在大量的諧振點，大部分是分布參數(shù)引起的，它很難測算，EMC測試頻段從數(shù)KHz到GHz級，諧振點在這個頻段范圍內(nèi)也很難避免（也可以說無法避免），因此它是EMC問題的一大難題，也可認為是EMC問題的最大本質(zhì)。

 

5.      如何解決共振引起的EMC問題

 

雖然諧振無法避免，但是仍有措施可以降低EMC風(fēng)險，主要措施有：

 

1、  增大LC分立元件參數(shù)的值，讓LC諧振點遠離測試頻段范圍，如電源濾波器設(shè)計時，就要求電源濾波器的諧振點遠小于150KHz,此時濾波器才能取得較好的濾波效果；

 

2、  深刻理解EMC設(shè)計的精髓，控制分布參數(shù)值，（如減小接地線長度、縮短電容的引線、線間鋪銅，減小信號回路面積等）。減小分布參數(shù)可以使諧振點頻率變高，而隨著頻率的變高，騷擾源的諧波幅度也會越來越小，即使諧振，產(chǎn)生的整體騷擾也會變低；

 

3、  增加EMI信號源的上升沿時間，因為上升沿時間影響著信號源高次諧波的幅度，沿越緩，高次諧波幅度更低，就可以有效降低高頻諧振頻點上的幅度，如開關(guān)驅(qū)動信號中串電阻，并聯(lián)電容等；

 

6.      工作中的“濾波器效應(yīng)”

 

前面談到濾波器，一個插入損耗值非常優(yōu)秀的濾波器，放在產(chǎn)品中卻不能發(fā)揮很好的濾波效果。什么原因，那是因為插入損耗值是濾波器作為單獨個體時的性效能評價值，而濾波器用在產(chǎn)品中時，濾波器中電感和電容，也會與濾波器外的電感或電容發(fā)生諧振，導(dǎo)致濾波器內(nèi)部器件與外部器件相互“合作”，改變原來信號的分布，表現(xiàn)為濾波效果失效。

 

在我們工作中，也經(jīng)常會發(fā)生類似現(xiàn)象。在一個團隊里，一位具有較強個體工作能力的員工，在團隊里卻不能發(fā)揮很大的價值。究其原因，是這位所謂強能力的員工，與團隊之外的某個體之間有著千絲萬縷的關(guān)系，并且在不斷共振。這種關(guān)系的存在，會不斷的、甚至最大程度的吸取著公司的利益。自然這位員工在公司是無法被評價為優(yōu)秀的，甚至可以成為害群之馬。這就是人事中的濾波器效應(yīng)。

 

世界萬物是一個共振體，也由無數(shù)個共振體組成，應(yīng)該有效的選擇共振體，讓其產(chǎn)生正向效果，而避免共振帶來的負面影響。