机电产品的电磁干扰抑制措施

分类：技术教程日期：2008-01-05 00:00:00

摘要：介绍了一些降低电源、主控板等电磁干扰源的传导、高次谐波及辐射干扰的方法和实例。
关键词：电源；电磁干扰；传导；高次谐波电流；辐射
1 引言
现在的机电产品多要通过 EMC 测试和认证， EMC认证包括 EMI和 EMS两部分，通常比较容易出问题的是 EMI。 EMI测试主要有电磁干扰的传导，高次谐波和辐射干扰等，其中，传导和高次谐波干扰主要来自于电源，而辐射干扰许多场合也直接或间接来源于电源。单从技术方面来说，一个有较多经验的工程师解决这些问题，通常不会花太多时间，但是，如果对时间及成本有严格的控制，就比较令人头疼。本文是笔者从事 EMC测试和认证积累的一些经验，主要介绍跟电源有关的一些措施。
2 传导噪声的抑制
传导测试的问题基本上出在电源上，其措施主要也是针对电源自身，一般包括两个方面：
1）恰当的滤波电路；
2）滤波元件在线路板上的位置。
通常，适当增大线圈的电感值，可以对抑制传导噪音起到立竿见影的作用；也可以采用两级滤波电路来保证过大的传导噪音不会通过电源线侵入到供电线路中。滤波元件在线路板上的位置对传导噪音一般影响不大，不过如果噪音超标较小，可以考虑改变元件布置。
有些种类的电器往往用到交流电源，如果其上有相位调制电路（比如用来控制交流电机）的话，很容易导致传导干扰超标，解决的方法一是合理选择相位调制电路的滤波元件的参数；二是适度改变电源的滤波器的参数，尤其是滤波电感值。
3 高次谐波的抑制
一般的开关电源并不会产生高次谐波超标的问题，但是，如果机电产品上有使用交流电机、卤素灯等具有较大启动冲击电流的场合，就必须考虑高次谐波的问题。在这种情形下，可以从两方面入手来解决问题，一是软启动，对交流电机来说，启动阶段的大电流往往导致高次谐波超标；对于卤素灯来说，从冷态转换到发热、发光的阶段，电流也比较大，同样其非正弦电流会导致高次谐波测试通不过；二是加装抑制高次谐波幅度的电子电气元件，比如线圈、缓冲电容电阻（ CR）等，采用此种方法时，所选用的线圈和 CR元件必须有适当的值。
在实际应用中，上述两个方法可以共同使用，以确保减小高次谐波电流，并且抑制过大的高次谐波电流传递到供电线路上。
某一个机电产品采用降低高次谐波措施前后的测试波形如图 1所示。测试数值如表 1、表 2所列。

在前面介绍的两种降低高次谐波的措施中，应优先采用软启动方法，此种方法是通过软件实现的，如果是在设计阶段，几乎不增加成本。而且，如果高次谐波超标值比较小的话，通过观测采用软启动前后的启动电流值即可预测正式测试是否可以通过。
需要说明，采用线圈及 CR元件这种方法时，线圈的电感值要适中，并非越大越好，一来过大反而不利于抑制高次谐波；二来电感值越大，线圈成本越高。
4 辐射的抑制
辐射干扰是比较难以解决的问题，如果在生产阶段抽检不合格，需要采取补救措施，可能造成产品成本大幅度增加。下面介绍几种抑制辐射干扰的措施。
4. 1 电源辐射的抑制
电源是一个主要辐射源。需要注意以下几个方面：
1) 线路板接地线的布线
通常来说，电源线路板的地线布置状况不会对辐射有多大影响，但须注意，尽量不要把散热板设置成地线的一部分，有些场合，这种做法会导致辐射在整个测试频率范围内大幅度提高。作为应急措施，或者此处线路板上确无空间布置地线的话，可以在线路板上跨接导线来 “ 短路 ” 散热板，效果非常明显。电源上的散热板通常要求接地，不过不要单端接地，否则可能反而成为一个干扰源。
另外，地线应尽可能宽、尽可能短。

2) 直流输出电压质量
在进行辐射测量之前，最好先用示波器测量一下电源直流输出电压噪音的大小，如高频噪音异常大，建议先解决此问题，因为它往往也导致辐射干扰在整个测试频率范围内大幅度超标。
3) 主控板与电源的连线
如低频辐射 (30～ 84 MHz)超标，可以考虑是不是电源的原因，解决此问题的有效办法是在电源与主控板的连线处加装磁环，通常把所有连接线束都穿过磁环。当然，磁环的特性和安装位置需要合适。
加装磁环降低传导噪音的一个实例是将磁环加装在主控板与电源的连线中间位置。

4) 电源线上加装磁环
在电源线上加装磁环，需要注意对于不同的机电产品和电源，磁环安装位置是有区别的。有时候安装在机器外部电源线上效果好，有时候安装在内部电源线靠近电源处效果好，这就需要测试一下才能确定装在哪里比较合适。
磁环安装在电源线上是一箭双雕的好方法，既可以降低传导噪音，也可以抑制辐射干扰。但在有些情况下，单是在电源线上安装磁环还不够。
5) 元器件选用
电源上很多元器件对辐射有较大的影响，比如主开关管、高频变压器及输出端整流二极管等，需尽量采用低噪音的元器件。对于电源二次侧的整流二极管来说，可选用的器件种类有快恢复二极管（ FRD）、超快恢复二极管（ SRD）及肖特基二极管（ SBD）等，其中 SBD目前基本上应用于低输出直流电压的场合。
这里有一个实例，在批量生产前发现余量非常小，在 33.960 MHz频率时仅为－ 1.07，因此采取了两个措施，一是更换了输出端整流二极管（原来所用器件为 SF10LC20U，其反向恢复时间 trr为 35 ns，后改用 MUR2020CT，其 trr为 25 ns）。二是去掉了一个散热板单端接地处的接地布线，见图 2中箭头所示，结果辐射余量在原问题频率附近增大到－ 4.15，达到了规格要求。
4. 2 主控板辐射的抑制
主控板也是主要的一个辐射源，由于其所用晶振频率一般较高，又有大量电路涉及高速数据处理，因此往往产生高频辐射。为了降低辐射，可以从以下几方面来下功夫：
1) 主控板的布线，尤其是地线的布设；
2) 元器件选用；
3) 在高速信号线上使用零电阻电感等；
4)地线的布设方面，比如模拟地与数字地的噪音隔离技术；
5) 屏蔽板的采用；
6) 2层板、屏蔽铜膜 2层板、 4层板及 4层板以上多层板的选择。
其实选择几层板是非常重要的，它们对辐射的影响非常大。就一般应用而言，建议选用 2层板，因 4层板的成本大大高于 2层板。而在 2层板的基础上采用表面屏蔽铜膜工艺的成本介于两者之间，它们降低高频辐射的效果则刚好相反，从大到小依次为 4层板， 2层板＋铜膜， 2层板。
主控板的辐射问题一定要在批量生产之前解决，一旦在生产阶段发生抽检不合格的情况，非常被动。往往采用许多措施都没有效果，如果迫不得已由 2层板改为 4层板，效果是非常好，只是成本大幅度增加。
4. 3 其它方面
其它方面对辐射大小也有一定影响。
1) 电机控制板与电源线
许多机电产品会用到直流电机，需要精密控制的地方还会用到步进电机，电机的控制板会产生辐射噪音。除了在设计控制板时尽早考虑降低辐射外，在电机的电源线上加装磁环也是一个有效的办法，如果电源线在磁环上绕两匝，效果会更好。
2) 易产生静电零件的接地
机电产品上有一些转动的金属零件和构件会产生静电，静电通常不会产生值得注意的辐射，但如有可能，最好给这些零件和构件加上接地装置，及时泄放静电，既可以不影响机器性能，也有利于降低辐射。
5 结语
总体上，降低电磁干扰的种种措施既有理论依据，又有实践经验，有时候积累经验更为重要。降低电磁干扰需要板级设计者（电源设计者和主控板设计者等）和电磁兼容工程师两方面的技术协调。不管怎样，需要尽早在设计阶段就解决问题，以避免批量生产时出现超标问题导致成本大幅度上升的困境。