【开关电源设计】电磁兼容设计和测试的案例分析

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为了说明变压器屏蔽层对抑制共模骚扰的作用，做以下试 验：
根据前图所示结构绕制变压器，并在交流整流滤波后增设 13mH差模滤波电感和6.8uF差模滤波电容，对开关电源 进行传导EMI测试，结果如下图所示。可见，传导EMI非 常严重，不能通过电磁干扰测试。
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处理意见：①将金属螺柱改成塑料螺柱，但存在一个强度 问题；②在塑料机壳的结构上作点变化，以便将金属螺柱 缩短。以上两个处理意见都能满足辐射测试要求 ，但从结 构的强度看，第一个意见稍为差些。
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案例4：开关电源高频变压器的屏蔽问题 开关电源中产生电磁骚扰的根本原因在于存在着电流、电 压的高频急剧变化，其通过导线的传导以及电感、电容的 耦合形成传导的电磁骚扰。 以反激式变换器为例，其的主电路如图所示。输入整流后 的电流为尖脉冲电流，开关开通和关断时变换器中电压、 电流变化率很高，这些波形中含有丰富的高频谐波。另 外，在主开关管开关过程和整流二极管反向恢复过程中， 电路的寄生电感、电容会发生高频振荡，以上这些都是电 磁干扰的来源。
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进一步试验，在交流整流前增设35mH共模滤波电感，传 导EMI测试结果如下图所示，产品可以通过测试。比较测 试结果，可以得出结论：开关电源主要是由于在工作过程 中产生大量共模传导电磁骚扰才使得电源不能通过测试。
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去掉共模滤波电感，并在变压器中增设如图所示的初级屏 蔽绕组，并将屏蔽绕组抽头与A点（电容Cin正极）相连。 测试结果见后图左。由于在共模传导EMI的模型中输入滤 波电容Cin是短路的，所以将屏蔽绕组抽头与电容Cin负极 （E点）相连，则屏蔽绕组对传导EMI的抑制效果接E点与 A点相连的情况应该是一样的，测试结果如后图右所示。
拆开机箱后观察发现这一区域有一根5cm的金属螺柱连接 塑料机壳与塑料顶盖，而金属螺柱本身与内部线路并没有 任何电的连接。只是螺柱的布局有点靠近设备内部的印刷 板，在印刷板与螺柱相近的部位有一个33MHz的晶体振荡 器。而891MHz的辐射正好是33MHz晶振的27次谐波，因 此金属螺柱受晶振电路的感应，而且成为辐射源的偶极子 天线，对外形成了辐射。
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案例3：悬空的金属与辐射
某信息技术类产品有24个网口，进行辐射发射试验时发 现 在 高 频 段 有 几 个 频 点 （ 625MHz 、 687.5MHz 、 812.5MHz和875MHz）不满足B级限值要求。
Level dB μV/m 80
70
60
50
40
30
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0
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①将所有与辐射相关部分进行屏蔽。将模块与背板之间的 防水垫圈成导电密封圈，实现整机屏蔽的完整性。
②对模块印板重新布局，晶振要尽量内移，晶振下面不能 走信号线，应该改成敷铜接地的平面。
经以上两项处理后，用近场探头重新测试，发现350MHz 频点的辐射减小在10dB以上。
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对某信息技术类设备作电源线传导骚扰电压测试，被试设 备的接地线采取就近接地（接参考接地板），发现测试结 果不满足限值要求。
被试设备 接地线
电源线
至测量接收机 人工电源网络
接地线
电源输入
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上述试验在屏蔽室里进行，因此试验的不合格当不怀疑是 由外界电磁辐射所造成的，更多的应当怀疑是被试设备本 身的问题，以及试验布局不当造成的后果。 根据试验的布局情况，认为有可能是试验布局不当造成的 后果。主要是观察试验布局后，觉得被试设备与人工电源 网络的电源连线－人工电源网络的接地线－参考接地板－ 被试设备的接地线构成了一个比较大的环路。 在电磁兼容的分析中，这个环路既可以成为电磁骚扰的辐 射发射天线，也可以成为干扰接收的天线。对于后一情 况，当环路中的磁通发生变化时，就将在环路中感应出电 流，这个电流的大小与环路的面积成正比，而且对于特定 大小的环路，还将在特定频率上产生谐振。从前图可见， 只要环路中有感应电流产生，必定会增大人工电源网络检 测到骚扰电压。 至于上述分析中的电磁骚扰的辐射源，有可能是被试设备 本身，通过设备表面形成向外的辐射。
F
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图中可见，左图（屏蔽绕组抽头F接A点）和右图（屏蔽绕组抽头F接E点）的 测试结果几乎相当，从而证明了前面论断（屏蔽绕组对传导EMI的抑制效果接 输入滤波电容Cin正极和负极的情况是一样的）。
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24Biblioteka 在变压器内部再增设如图所示的次级屏蔽绕组，并将E与A 点相连，将F与C点相连。
电磁兼容设计和测试的 案例分析
这是一份讲述产品电磁兼容设计和测试的案例分 析的资料，部分是作者在日常工作中的体会，部 分是同事在工作中的收获，还有较多部分的内容 是通过不同渠道收集得到的资料，现将它们汇总 在一起（共30个案列），以满足读者的需要。
案例1：传导骚扰电压测试中的设备接地点的选择问题
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屏蔽设备的辐射问题一般与电源线、信号线和结构的泄漏 有关，由于不合格的频率很高（600MHz以上），根据经 验，一般不是电源线的辐射问题（通常电源线的辐射频率 小 于 200MHz ） ， 比 较 有 可 能 是 信 号 线 和 结 构 的 问 题 所 致。 首先怀疑24根百兆网线带来的辐射，故先将所有网线拔掉 后再测，发现超标情况依旧，只是幅度稍减一点，说明网 线不是造成辐射的主要原因。 用近场探头对设备进行探测，发现侧板处辐射很大，频率 与超标频率相同，故怀疑侧板与机柜接触不好。拆开后发 现侧板与机柜接触良好（有专门的簧片来保证两者有很好 的接触），但见到侧板上有一条1.5cm的缝隙，故认为缝 隙是造成辐射泄漏的主要原因，使用导电铜箔将缝隙封闭 了，用近场探头测原缝隙，发现侧板两边的辐射泄漏消 失，便认为问题已获解决。但到实验室作正规测试时，却 发现超标情况还在，连幅度下降也不多，说明造成辐射超 标还有其他原因。
模块印板的正面已有屏蔽罩，因此晶振直接通过空间辐射 的路径已被封堵，唯一可能是连接器及背板上的印刷电路 走线，有可能耦合了来自晶振或时钟的噪声，使之成为被 动的辐射天线。
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进一步检查模块的印刷板，发现该印刷板的布局和布线存 在如下问题：
①晶振下面的印板未做局部地平面的敷铜处理（敷铜的接 地平面可为晶振及相关电路产生的共模RF电流提共通路， 从而使RF发射为最小。局部地平面应通过过孔与系统的地 平面以低阻抗连通）。
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试验布局的改进办法：将被试设备的接地线从就近接地改 为经人工电源网络的接地端子接地，被试设备的接地线尽 量靠近被试设备与人工电源网络之间的电源连线，以便使 由这两根线构成的电磁骚扰的接收环线为最小。
被试设备 接地线
电源线
至测量接收机 人工电源网络
接地线
电源输入
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G F
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测试结果见图所示，情况得到了极大改善。
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如果将两层屏蔽绕组换为两层屏蔽铜箔，对共模传导电流 有更好的抑制效果，测试结果如图所示。
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案例5：有多个子电源的电源系统电磁兼容问题 开关电源是一个很强的骚扰源，这是由于开关晶体管在线 路中以很高的频率进行开关操作，因此会产生很强的开关 噪声，从而会在电源的输入和输出端产生差模与共模的传 导骚扰，在周围空间产生辐射骚扰。与此同时，开关电源 内部又有很多控制电路，很容易受到自身和其他电子设备 的干扰。所以，EMI和EMS问题在电源产品中都非常重 要。然而对于一个设备或系统内部有多个子设备或子系统 的场合，多个子设备与子系统之间的电磁兼容问题就更加 突出。对于电源这样的产品，由于体积的限制，多个子电 源在空间上一般都比较靠近，而且通常是共用一根输入母 线，因此，互相间的干扰就更加严重。所以对这类电源系 统除了要防止对其他子设备和子系统的干扰，使之达到国 家和国际标准的要求外，还要考虑到电源产品之间的相互 干扰，否则将会影响到整个设备或系统的正常运行。 下面是有多个子电源的电源系统设计案例，主要简述在这 种设计中应当注意的原则，在调试中出现的问题，以及解 决方案。
在进行辐射试验中发现350MHz频点超标。
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用近场探头探测，确认是一块模块与背板之间接插处辐射 泄漏所致，源头是模块印板上的50MHz晶振（350MHz是 晶振频率的7次谐波）。
原因分析：设备在室外工作，要做防水处理，在模块与背 板连接处要用防水橡胶垫圈将两者之间密封。由于防水垫 圈是非导电性的，因此存在泄漏的可能较大。为此拆下模 块，单独加电，用近场探头进行测试，发现模块与背板连 接处确有350MHz的泄漏。
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启示：
①本案例是传导骚扰测试中很值得注意的接地问题，应将 被试设备的接地线直接接到人工电源网络的接地端，而且 接地线要和电源线尽量靠拢走线，以免造成较大环路，接 收意外的骚扰。
②对于带有较大低频辐射的产品（150kHz～30MHz）， 如果除了电源线之外还有信号线，在做电源线的传导骚扰 测试时，要注意信号线和电源线（及其环路）的相对位 置，避免相互之间产生耦合。
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在开关电源中存在着分布电容，由于开关电源的工作频率 比较高，开关电源工作时的电流和电压的变化率也比较 高，这样开关电源中的分布电容（高频下，开关电源分布 电容的容抗比较小）就给电磁干扰的传递提供了通路。
在开关电源高频变压器的各个绕组之间（尤其是在初级和 次级之间）同样也存在着大量分布电容，如图所示。其 中，A、B、C、D四点与前图中标识的四点相对应。
③本案例中除了改变布局，其他如增加被试设备电源端口 的滤波器在一定程度上也能得到解决，因为测试得到的结 果总是综合的，改变某一个因素都有可能使结果符合测试 要求，但这里试验的规范是放在第一位的。
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案例2：辐射超标问题
某室外工作的设备，采用模块与背板结构，模块与背板经 相应连接器连接。每个模块也进行了一定屏蔽设计，连背 板也进行了屏蔽设计。
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再次对设备进行检查，为了使定位更精确，换用直径更小 的近场探头，发现正面板光纤出口附近的辐射较大，故对 这部分作了重点检查。发现光纤出口为1cm见方的小孔， 光纤接头里面有一根悬空的3cm长金属加强筋。光模块接 口的发射端也是金属的，距金属加强筋较近，因此怀疑高 频噪声经发射端耦合到加强筋，由于加强筋距方孔很近， 加强筋便成了一根被动的单极发射天线，通过方孔向外辐 射。
②模块印板与连接器的布线中有不少是从50MHz晶振底下 穿过，很有可能将50MHz晶振工作时产生的高频噪声耦合 到它下方的信号线上，使这些信号线带上了共模噪声电 压，进而通过这些信号线的延伸将共模噪声带出印板的屏 蔽体。
③晶振的位置离连接器的位置太近。
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处理意见：
将这个概念进一步引伸出去，对于集成电路芯片上的未用 引脚，也有可能因为充当小天线，引起设备的动作不稳 定。因此，对这部分电路也应当作相应处理。
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附录：悬空金属螺柱引起的辐射超标
还有一则与上述案例类似的辐射超标问题：某塑料外壳的 通信产品在做辐射发射测试时，发现在891MHz处超标。 用近场探头对机壳、接口连接器等处进行探测，只在机箱 上部的一小块区域发现在891MHz上的辐射较大。
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处理意见： ①取消金属加强筋。 ②将金属加强筋与面板的金属部分有良好的搭接。 由于取消加强筋会使光纤使用时接插强度不够，因此最终 采用第2个措施对设备结构进行改进，并通过了通过了限值 测试。
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启示：
设备的结构中要避免有悬空金属存在，否则悬空金属部件 （特别是尺寸较大的悬空金属部件）有可能成为设备噪声 发射的“接力手”。为此，设备内部的散热片、金属屏蔽罩 和金属支架，乃至印刷电路板中未被利用的金属面等，都 应该接地。