機(jī)電產(chǎn)品的電磁干擾抑制措施

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(guò)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(wèn)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(lái)自于電源，而輻射干擾許多場(chǎng)合也直接或間接來(lái)源于電源。單從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，一個(gè)有較多經(jīng)驗(yàn)的工程師解決這些問(wèn)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(wèn)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(jiàn)影的作用；也可以采用兩級(jí)濾波電路來(lái)保證過(guò)大的傳導(dǎo)噪音不會(huì)通過(guò)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(guò)如果噪音超標(biāo)較小，可以考慮改變?cè)贾谩?/p>

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(lái)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(kāi)關(guān)電源并不會(huì)產(chǎn)生高次諧波超標(biāo)的問(wèn)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(wèn)題。在這種情形下，可以從兩方面入手來(lái)解決問(wèn)題，一是軟啟動(dòng)，對(duì)交流電機(jī)來(lái)說(shuō)，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?lái)說(shuō)，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(guò)；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?/p>

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(guò)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(guò)）

(b)74mH線圈加裝CR元件（測(cè)試結(jié)果：通過(guò)）

圖1高次諧波測(cè)試波形

表1諧波電流數(shù)據(jù)（未通過(guò)）

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(guò)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(guò)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(guò)。

需要說(shuō)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(lái)過(guò)大反而不利于抑制高次諧波；二來(lái)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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(wú)空間布置地線的話，可以在線路板上跨接導(dǎo)線來(lái)“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(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(jiàn)圖2中箭頭所示，結(jié)果輻射余量在原問(wèn)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(lái)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(wèn)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(méi)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(wèn)題，以避免批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)超標(biāo)問(wèn)題導(dǎo)致成本大幅度上升的困境。