AUX-C4 — CISPR 25 传导+辐射双联过 Class 5:为什么 CE 与 RE 是一个噪声源的两个判据,以及为什么整改要沿两条正交轴走

先把两把尺子的物理钉清楚,否则"为什么要一起设计"讲不透。ECU 里能产生宽带噪声的只有一处:开关单元。SW 节点的 $\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$ 和开关回路的 $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t$——这是唯一的加害源(aggressor)。CISPR 25 不直接测这个源,而是用两把尺子量它逃逸出去的后果:

• CE(Conducted Emission,§6.3 电压法):在电源线与 ECU 之间插一个 5 μH‖50 Ω 的 LISN(标准里叫 AN)×2,用接收机量电源线上的噪声电压,频段 0.15–108 MHz。它是一个"接在导线上的电压表"。
• RE(Radiated Emission,§6.5 ALSE 法):把 ECU + 1.5 m 线束放进吸波暗室,离线束 1 m 架天线量空间场强(dBμV/m),频段 150 kHz–5925 MHz(Ed.5)。它是一个"悬在空中的场强计"。

同一个开关噪声,一个被量成"导线上的电压",一个被量成"空间里的场"。两把尺子测量物理不同,但被测的源只有一个。 这就是硬约束:你不能只喂饱一把尺子——把 CE 压过了,RE 那把尺子照样在量同一个源。问题于是不是"分别怎么过 CE、怎么过 RE",而是"这一个源怎么同时躲过两把尺子"。下面先找出把两把尺子锁在一起的那根物理铰链。

为什么 CE 和 RE 不是两件独立的事?因为在 30–108 MHz 这段两把尺子重叠的频段里,它们量的其实是同一个物理量:线束上的共模电流 $Icm$。

要看清这点,先把噪声按路径分成正交的两支(与 CE 深度 §2 同一口径):

• 差模 DM:Vbat 线与 GND 线之间的回路电流,由开关 $\mathrm{d}i/\mathrm{d}t$ 经回路电感产生,频谱集中在开关谐波低次,主要砸 LW/MW(0.15–2 MHz)。
• 共模 CM:两根线相对车体一起流动的电流,由 SW 节点 $\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$ 经寄生电容 $Cp$ 耦合到地产生,频谱偏高,5–100 MHz,砸 SW/VHF/FM 多个业务频段。

关键在于这个 $Icm$ 在两把尺子里都留下读数,而且是同一个电流:

第一,CE 看见它。共模电流分两路各走一根线返回,每根线的 AN 呈 50 Ω(5 μH 在高频已开路),接收机在每根线上读到 $Van\approx Icm\cdot 25\Omega$(两个 50 Ω AN 对共模是并联 25 Ω,每根线载 $Icm/2$、读 $\frac{Icm}{2}\times 50$)。

第二,RE 也看见它。这段线束在 200 MHz 以下电气上仍算"短",相对地平面就是一根单极天线。共模电流沿它流动就辐射,远场场强按 Ott 短偶极公式(自由空间,与 RE 深度 §2.2 同一系数):

同一个 $Icm$,CE 把它读成导线电压、RE 把它读成空间场强。 这就是铰链:在重叠频段,压低 $Icm$ 会同时拉低两把尺子的读数;放任 $Icm$ 则两把尺子一起超。CE 和 RE 因此不是两件独立的事,而是同一根共模电流的两个判据——这是"必须一起设计"的第一性根据。

把上面的因果落成数值,才看得清"双联"的分量。平台:HV→12V BCM(变频)flyback ECU,FM 频段(76–108 MHz)Class 5。取一根 FM 频段的共模谐波,频点 $f=100\text{MHz}$,由 SW 节点 $\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$ 经变压器原副寄生 $Cp$ 耦合、返经机壳,在 $L=0.5\text{m}$ 有效线长上的共模电流 $Icm=5\mu \text{A}$(未加共模抑制的典型起手)。Class 5 FM 限值:CE 与 RE 恰好同为 PK 38 / AVG 18(dBμV 与 dBμV/m)——这不是巧合,两者都从同一台 FM 接收机的灵敏度反推。

判决一(CE 尺):

对 FM PK 限值 38,超 3.9 dB → CE fail。

判决二(RE 尺):代入 Ott 公式,$f=10^8$、$L=0.5$、$r=1$:

对 FM PK 限值 38,超 5.9 dB → RE fail。

同一根 5 μA 共模电流,让两把尺子同时超标。 现在看两种修法的分野:

修法 A(动共模铰链):线束串共模扼流 $Lcm$ 2.2 mH + 头端 ferrite bead ×2,在 100 MHz 给约 −20 dB 共模插损,$Icm:5\to 0.5\mu \text{A}$。

• CE:$0.5\mu \text{A}\times 25=12.5\mu \text{V}=21.9\text{dB}\mu \text{V}$,对 PK 38 富余 16 dB。
• RE:$E=6.28\times 10^{-7}\times 10^8\times 0.5\times 10^{-6}\times 0.5=15.7\mu \text{V/m}=23.9\text{dB}\mu \text{V/m}$,对 PK 38 富余 14 dB。

一个动作,两把尺子同时进门。 BCM 变频下高次谐波被抖成宽带、PK 是有效门(与 RE 深度 §5.1 同一判据);若换定频控制器,谐波近窄带、真门落到低 20 dB 的 AVG 18,则 −20 dB 尚不够、需再压 6 dB——这也是共模抑制往往要按 AVG 门留 10 dB 设计目标的原因。

修法 B(动差模,加大 X 电容):CX 只降 DM 回路电流,对这根共模谐波的 $Icm$ 毫无影响 → CE 与 RE 的 FM 读数双双纹丝不动。这就证明了一件反直觉的事:FM 段的 CE fail,堆 X 电容救不了,RE 也一样;因为病根在共模轴,不在差模轴。 方向判错,整改全白做。

结论:两把尺子在共模轴上被同一个旋钮控制——这个旋钮拧对,双联同时受益;拧错轴(DM 治 CM),两把尺子一起不动。

铰链只在重叠段成立;出了这段,CE 和 RE 各自还有一条对方够不着的独立路径。看清"共享"与"分家"的边界,才能把整改组织成正交轴而非两套重复滤波。

CE 独有的那一支——纯差模,RE 基本看不见。 LW/MW(0.15–2 MHz)的 CE 超标由 DM 回路电流主导。这么低的频率上,PCB 环和线束的辐射效率极低(场 $\propto f^2$ 或 $\propto f$,低频近乎零),所以这支噪声只在导线里被 CE 量到、几乎不进 RE。它的旋钮是 X 电容 + 差模电感(π-filter),与 RE 无关。

RE 独有的那一支——PCB loop 辐射,CE 完全看不见。 30 MHz 以上的 RE,除了线束共模天线,还有一支来自 PCB 上的 primary loop(SW + $Cbulk$ + 变压器原边)——它是个矩形环天线,自由空间远场 $E\propto f^{2}AI/r$(与 RE 深度 §5.1 同一系数 $1.316\times 10^{-14}$)。这支辐射不经电源线,LISN 根本量不到,所以 CE 全过也不能保证 RE 过。它的旋钮是 loop 面积 + 开关速率 + Faraday 屏蔽,是 layout 而非滤波。

于是"双联过 Class 5"的正解不是"设计两套滤波器测两遍",而是沿两条正交轴求解:一条是共模轴($Lcm$ + $Cy$ + 线束 ferrite)——它同时买 CE 与 RE 两把尺;另一条是分家轴(CX / π-filter 治 CE-DM,loop 面积 / 屏蔽治 RE-loop)——各只买一把尺。

正交意味着:共模轴是最大杠杆(一动省两处),应当先拧到位;剩下的 CE-DM 和 RE-loop 是两条互不干扰的收尾,各归各治。把它们当"两套独立设计"来做,不仅重复投入,还会在共模轴上各修各的、彼此打架(比如为压 RE 而加大 $Cy$,却把 CE 抗扰的门拉宽——$Cy$ 是双向端口,见 CE 深度 §8 C3)。

把三段拼成一条可执行的纪律。核心是一个不对称:CE fail 与 RE fail 的修复成本差一个数量级,而这个不对称决定了设计顺序。

CE 超标,改的是滤波器元件——加一颗 $Cy$、换一档 $Lcm$,焊上去就能复测,流片后也救得回。RE 超标,尤其是 PCB loop 那一支,改的是版图——收 loop 面积、加屏蔽、挪开关速率,PCB 流片后基本改不动,一改就是重新打样 + 推迟 4 周(与 RE 深度 §5.2 同一教训)。

这个不对称把设计顺序反过来定死了:

1. 先按 RE 锁 layout 约束(在原理图/layout 阶段,不可回退的先定):primary loop 面积、SW 节点包地/屏蔽、开关速率上限、线束共模返流路径——这些是 RE 独有轴 + 共模轴里"改不动"的部分,必须最先冻结。
2. 共模轴一次拧到位:$Lcm$ + $Cy$(单点最短路径落机壳)+ 线束 ferrite;这是买 CE + RE 两把尺的最大杠杆,worked example 里 −20 dB 同时救两处就是它。
3. 最后用 π-filter 收 CE-DM 尾巴:X 电容 + 差模电感按 CE 深度 §3 的 AVG 门 + 10 dB 反推,这是流片后仍可调的自由度,留到最后。
4. 源头减一档更省全局:$\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$ 整形与展频(spread spectrum)直接压低 CM 谱与谐波峰,是"先削源再滤波"的上游杠杆,见 展频深度。

带走三条准则:

1. CE 与 RE 是一个源的两个判据,不是两件事。 重叠段(30–108 MHz)由同一根 $Icm$ 驱动,压 $Icm$ 双联受益;分家段各有独立路径,别指望一处过就全过。
2. 整改沿正交轴,先拧共模这根最大杠杆。 共模轴一动省两把尺;差模(CX)和 loop(layout)是各买一把尺的收尾。拧错轴(DM 治 CM)两把尺一起不动。
3. RE 定 layout、CE 定 filter,顺序不可倒。 RE 改不动(版图),所以先按它冻结布局;CE 可后调(元件),留到最后收尾。"测完再修"必然在 PCB 已冻结后撞上 RE-driven 的布局约束。