淺析機(jī)電產(chǎn)品的電磁干擾抑制措施

時(shí)間：2012-04-03 20:00:31

關(guān)鍵字：機(jī)電電磁干擾抑制 MDASH 高次諧波

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]摘要：介紹了一些降低電源、主控板等電磁干擾源的傳導(dǎo)、高次諧波及輻射干擾的方法和實(shí)例。關(guān)鍵詞：電源；電磁干擾；傳導(dǎo)；高次諧波電流；輻射1引言現(xiàn)在的機(jī)電產(chǎn)品多要通過EMC測(cè)試和認(rèn)證，EMC認(rèn)證包括EMI和EMS兩部分，

摘要：介紹了一些降低電源、主控板等電磁干擾源的傳導(dǎo)、高次諧波及輻射干擾的方法和實(shí)例。

關(guān)鍵詞：電源；電磁干擾；傳導(dǎo)；高次諧波電流；輻射

1引言

現(xiàn)在的機(jī)電產(chǎn)品多要通過EMC測(cè)試和認(rèn)證，EMC認(rèn)證包括EMI和EMS兩部分，通常比較容易出問題的是EMI。EMI測(cè)試主要有電磁干擾的傳導(dǎo)，高次諧波和輻射干擾等，其中，傳導(dǎo)和高次諧波干擾主要來自于電源，而輻射干擾許多場(chǎng)合也直接或間接來源于電源。單從技術(shù)方面來說，一個(gè)有較多經(jīng)驗(yàn)的工程師解決這些問題，通常不會(huì)花太多時(shí)間，但是，如果對(duì)時(shí)間及成本有嚴(yán)格的控制，就比較令人頭疼。本文是筆者從事EMC測(cè)試和認(rèn)證積累的一些經(jīng)驗(yàn)，主要介紹跟電源有關(guān)的一些措施。

2傳導(dǎo)噪聲的抑制

傳導(dǎo)測(cè)試的問題基本上出在電源上，其措施主要也是針對(duì)電源自身，一般包括兩個(gè)方面：

1）恰當(dāng)?shù)臑V波電路；

2）濾波元件在線路板上的位置。

通常，適當(dāng)增大線圈的電感值，可以對(duì)抑制傳導(dǎo)噪音起到立竿見影的作用；也可以采用兩級(jí)濾波電路來保證過大的傳導(dǎo)噪音不會(huì)通過電源線侵入到供電線路中。濾波元件在線路板上的位置對(duì)傳導(dǎo)噪音一般影響不大，不過如果噪音超標(biāo)較小，可以考慮改變?cè)贾谩?/span>

有些種類的電器往往用到交流電源，如果其上有相位調(diào)制電路（比如用來控制交流電機(jī)）的話，很容易導(dǎo)致傳導(dǎo)干擾超標(biāo)，解決的方法一是合理選擇相位調(diào)制電路的濾波元件的參數(shù)；二是適度改變電源的濾波器的參數(shù)，尤其是濾波電感值。

3高次諧波的抑制

一般的開關(guān)電源并不會(huì)產(chǎn)生高次諧波超標(biāo)的問題，但是，如果機(jī)電產(chǎn)品上有使用交流電機(jī)、鹵素?zé)舻染哂休^大啟動(dòng)沖擊電流的場(chǎng)合，就必須考慮高次諧波的問題。在這種情形下，可以從兩方面入手來解決問題，一是軟啟動(dòng)，對(duì)交流電機(jī)來說，啟動(dòng)階段的大電流往往導(dǎo)致高次諧波超標(biāo)；對(duì)于鹵素?zé)魜碚f，從冷態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)熱、發(fā)光的階段，電流也比較大，同樣其非正弦電流會(huì)導(dǎo)致高次諧波測(cè)試通不過；二是加裝抑制高次諧波幅度的電子電氣元件，比如線圈、緩沖電容電阻（CR）等，采用此種方法時(shí)，所選用的線圈和CR元件必須有適當(dāng)?shù)闹怠?/span>

在實(shí)際應(yīng)用中，上述兩個(gè)方法可以共同使用，以確保減小高次諧波電流，并且抑制過大的高次諧波電流傳遞到供電線路上。

某一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品采用降低高次諧波措施前后的測(cè)試波形如圖1所示。測(cè)試數(shù)值如表1、表2所列。

(a)73mH線圈、加裝CR元件（測(cè)試結(jié)果：未通過）

(b)74mH線圈加裝CR元件（測(cè)試結(jié)果：通過）

圖1高次諧波測(cè)試波形

表1諧波電流數(shù)據(jù)（未通過）

ORDER	CURRENT/A	LIMIT/A	DIFFER/A	JUDGE
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29	0.3602 0.2583 0.1098 0.0320 0.0276 0.0127 0.0112 0.0084 0.0073 0.0045 0.0038 0.0039 0.0031 0.0017 0.0016	—— 0.247 0.138 0.072 0.036 0.025 0.021 0.018 0.016 0.014 0.013 0.012 0.011 0.010 0.009	—— －0.0113 0.0282 0.0400 0.0084 0.0123 0.0098 0.0096 0.0087 0.0095 0.0092 0.0081 0.0079 0.0083 0.0074	—— FAIL —— —— —— —— —— ——

表2諧波電流數(shù)據(jù)（通過）

ORDER	CURRENT/A	LIMIT/A	DIFFER/A	JUDGE
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29	0.3674 0.2567 0.1051 0.0344 0.0265 0.0118 0.0125 0.0055 0.0077 0.0039 0.0047 0.0035 0.0022 0.0027 0.0010	—— 0.260 0.145 0.076 0.038 0.026 0.022 0.019 0.017 0.015 0.014 0.012 0.011 0.010 0.010	—— 0.0033 0.0399 0.416 0.0115 0.0142 0.0095 0.0135 0.0093 0.0111 0.0093 0.0085 0.0088 0.0073 0.0090	—— —— —— —— —— —— ——

在前面介紹的兩種降低高次諧波的措施中，應(yīng)優(yōu)先采用軟啟動(dòng)方法，此種方法是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，如果是在設(shè)計(jì)階段，幾乎不增加成本。而且，如果高次諧波超標(biāo)值比較小的話，通過觀測(cè)采用軟啟動(dòng)前后的啟動(dòng)電流值即可預(yù)測(cè)正式測(cè)試是否可以通過。

需要說明，采用線圈及CR元件這種方法時(shí)，線圈的電感值要適中，并非越大越好，一來過大反而不利于抑制高次諧波；二來電感值越大，線圈成本越高。

4輻射的抑制

輻射干擾是比較難以解決的問題，如果在生產(chǎn)階段抽檢不合格，需要采取補(bǔ)救措施，可能造成產(chǎn)品成本大幅度增加。下面介紹幾種抑制輻射干擾的措施。

4?1電源輻射的抑制

電源是一個(gè)主要輻射源。需要注意以下幾個(gè)方面：

1)線路板接地線的布線

通常來說，電源線路板的地線布置狀況不會(huì)對(duì)輻射有多大影響，但須注意，盡量不要把散熱板設(shè)置成地線的一部分，有些場(chǎng)合，這種做法會(huì)導(dǎo)致輻射在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)大幅度提高。作為應(yīng)急措施，或者此處線路板上確無空間布置地線的話，可以在線路板上跨接導(dǎo)線來“短路”散熱板，效果非常明顯。電源上的散熱板通常要求接地，不過不要單端接地，否則可能反而成為一個(gè)干擾源。

另外，地線應(yīng)盡可能寬、盡可能短。

2)直流輸出電壓質(zhì)量

在進(jìn)行輻射測(cè)量之前，最好先用示波器測(cè)量一下電源直流輸出電壓噪音的大小，如高頻噪音異常大，建議先解決此問題，因?yàn)樗矊?dǎo)致輻射干擾在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)大幅度超標(biāo)。

3)主控板與電源的連線

如低頻輻射(30～84MHz)超標(biāo)，可以考慮是不是電源的原因，解決此問題的有效辦法是在電源與主控板的連線處加裝磁環(huán)，通常把所有連接線束都穿過磁環(huán)。當(dāng)然，磁環(huán)的特性和安裝位置需要合適。

加裝磁環(huán)降低傳導(dǎo)噪音的一個(gè)實(shí)例是將磁環(huán)加裝在主控板與電源的連線中間位置。

圖2電源線路板一部分

4)電源線上加裝磁環(huán)

在電源線上加裝磁環(huán)，需要注意對(duì)于不同的機(jī)電產(chǎn)品和電源，磁環(huán)安裝位置是有區(qū)別的。有時(shí)候安裝在機(jī)器外部電源線上效果好，有時(shí)候安裝在內(nèi)部電源線靠近電源處效果好，這就需要測(cè)試一下才能確定裝在哪里比較合適。

磁環(huán)安裝在電源線上是一箭雙雕的好方法，既可以降低傳導(dǎo)噪音，也可以抑制輻射干擾。但在有些情況下，單是在電源線上安裝磁環(huán)還不夠。

5)元器件選用

電源上很多元器件對(duì)輻射有較大的影響，比如主開關(guān)管、高頻變壓器及輸出端整流二極管等，需盡量采用低噪音的元器件。對(duì)于電源二次側(cè)的整流二極管來說，可選用的器件種類有快恢復(fù)二極管（FRD）、超快恢復(fù)二極管（SRD）及肖特基二極管（SBD）等，其中SBD目前基本上應(yīng)用于低輸出直流電壓的場(chǎng)合。

這里有一個(gè)實(shí)例，在批量生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)余量非常小，在33.960MHz頻率時(shí)僅為－1.07，因此采取了兩個(gè)措施，一是更換了輸出端整流二極管（原來所用器件為SF10LC20U，其反向恢復(fù)時(shí)間trr為35ns，后改用MUR2020CT，其trr為25ns）。二是去掉了一個(gè)散熱板單端接地處的接地布線，見圖2中箭頭所示，結(jié)果輻射余量在原問題頻率附近增大到－4.15，達(dá)到了規(guī)格要求。

4?2主控板輻射的抑制

主控板也是主要的一個(gè)輻射源，由于其所用晶振頻率一般較高，又有大量電路涉及高速數(shù)據(jù)處理，因此往往產(chǎn)生高頻輻射。為了降低輻射，可以從以下幾方面來下功夫：

1)主控板的布線，尤其是地線的布設(shè)；

2)元器件選用；

3)在高速信號(hào)線上使用零電阻電感等；

4)地線的布設(shè)方面，比如模擬地與數(shù)字地的噪音隔離技術(shù)；

5)屏蔽板的采用；

6)2層板、屏蔽銅膜2層板、4層板及4層板以上多層板的選擇。

其實(shí)選擇幾層板是非常重要的，它們對(duì)輻射的影響非常大。就一般應(yīng)用而言，建議選用2層板，因4層板的成本大大高于2層板。而在2層板的基礎(chǔ)上采用表面屏蔽銅膜工藝的成本介于兩者之間，它們降低高頻輻射的效果則剛好相反，從大到小依次為4層板，2層板＋銅膜，2層板。

主控板的輻射問題一定要在批量生產(chǎn)之前解決，一旦在生產(chǎn)階段發(fā)生抽檢不合格的情況，非常被動(dòng)。往往采用許多措施都沒有效果，如果迫不得已由2層板改為4層板，效果是非常好，只是成本大幅度增加。

4?3其它方面

其它方面對(duì)輻射大小也有一定影響。

1)電機(jī)控制板與電源線

許多機(jī)電產(chǎn)品會(huì)用到直流電機(jī)，需要精密控制的地方還會(huì)用到步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的控制板會(huì)產(chǎn)生輻射噪音。除了在設(shè)計(jì)控制板時(shí)盡早考慮降低輻射外，在電機(jī)的電源線上加裝磁環(huán)也是一個(gè)有效的辦法，如果電源線在磁環(huán)上繞兩匝，效果會(huì)更好。

2)易產(chǎn)生靜電零件的接地

機(jī)電產(chǎn)品上有一些轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬零件和構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生靜電，靜電通常不會(huì)產(chǎn)生值得注意的輻射，但如有可能，最好給這些零件和構(gòu)件加上接地裝置，及時(shí)泄放靜電，既可以不影響機(jī)器性能，也有利于降低輻射。

5結(jié)語(yǔ)

總體上，降低電磁干擾的種種措施既有理論依據(jù)，又有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)候積累經(jīng)驗(yàn)更為重要。降低電磁干擾需要板級(jí)設(shè)計(jì)者（電源設(shè)計(jì)者和主控板設(shè)計(jì)者等）和電磁兼容工程師兩方面的技術(shù)協(xié)調(diào)。不管怎樣，需要盡早在設(shè)計(jì)階段就解決問題，以避免批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)超標(biāo)問題導(dǎo)致成本大幅度上升的困境。