機電產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 、 高 次 諧 波 及 輻 射 干 擾 的 方 法 和 實 例 。
關 鍵 詞 ： 電 源 ； 電 磁 干 擾 ； 傳 導 ； 高 次 諧 波 電 流 ； 輻 射
1 引 言
現 在 的 機 電 產 品 多 要 通 過 EMC 測 試 和 認 證 ， EMC認 證 包 括 EMI和 EMS兩 部 分 ， 通 常 比 較 容 易 出 問 題 的 是 EMI。 EMI測 試 主 要 有 電 磁 干 擾 的 傳 導 ， 高 次 諧 波 和 輻 射 干 擾 等 ， 其 中 ， 傳 導 和 高 次 諧 波 干 擾 主 要 來 自 于 電 源 ， 而 輻 射 干 擾 許 多 場 合 也 直 接 或 間 接 來 源 于 電 源 。 單 從 技 術 方 面 來 說 ， 一 個 有 較 多 經 驗 的 工 程 師 解 決 這 些 問 題 ， 通 常 不 會 花 太 多 時 間 ， 但 是 ， 如 果 對 時 間 及 成 本 有 嚴 格 的 控 制 ， 就 比 較 令 人 頭 疼 。 本 文 是 筆 者 從 事 EMC測 試 和 認 證 積 累 的 一 些 經 驗 ， 主 要 介 紹 跟 電 源 有 關 的 一 些 措 施 。
2 傳 導 噪 聲 的 抑 制
傳 導 測 試 的 問 題 基 本 上 出 在 電 源 上 ， 其 措 施 主 要 也 是 針 對 電 源 自 身 ， 一 般 包 括 兩 個 方 面 ：
1） 恰 當 的 濾 波 電 路 ；
2） 濾 波 元 件 在 線 路 板 上 的 位 置 。
通 常 ， 適 當 增 大 線 圈 的 電 感 值 ， 可 以 對 抑 制 傳 導 噪 音 起 到 立 竿 見 影 的 作 用 ； 也 可 以 采 用 兩 級 濾 波 電 路 來 保 證 過 大 的 傳 導 噪 音 不 會 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 傳 導 噪 音 一 般 影 響 不 大 ， 不 過 如 果 噪 音 超 標 較 小 ， 可 以 考 慮 改 變 元 件 布 置 。
有 些 種 類 的 電 器 往 往 用 到 交 流 電 源 ， 如 果 其 上 有 相 位 調 制 電 路 （ 比 如 用 來 控 制 交 流 電 機 ） 的 話 ， 很 容 易 導 致 傳 導 干 擾 超 標 ， 解 決 的 方 法 一 是 合 理 選 擇 相 位 調 制 電 路 的 濾 波 元 件 的 參 數 ； 二 是 適 度 改 變 電 源 的 濾 波 器 的 參 數 ， 尤 其 是 濾 波 電 感 值 。
3 高 次 諧 波 的 抑 制
一 般 的 開 關 電 源 并 不 會 產 生 高 次 諧 波 超 標 的 問 題 ， 但 是 ， 如 果 機 電 產 品 上 有 使 用 交 流 電 機 、 鹵 素 燈 等 具 有 較 大 啟 動 沖 擊 電 流 的 場 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 ， 對 交 流 電 機 來 說 ， 啟 動 階 段 的 大 電 流 往 往 導 致 高 次 諧 波 超 標 ； 對 于 鹵 素 燈 來 說 ， 從 冷 態 轉 換 到 發 熱 、 發 光 的 階 段 ， 電 流 也 比 較 大 ， 同 樣 其 非 正 弦 電 流 會 導 致 高 次 諧 波 測 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 ， 所 選 用 的 線 圈 和 CR元 件 必 須 有 適 當 的 值 。
在 實 際 應 用 中 ， 上 述 兩 個 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 機 電 產 品 采 用 降 低 高 次 諧 波 措 施 前 后 的 測 試 波 形 如 圖 1所 示 。 測 試 數 值 如 表 1、 表 2所 列 。
在 前 面 介 紹 的 兩 種 降 低 高 次 諧 波 的 措 施 中 ， 應 優 先 采 用 軟 啟 動 方 法 ， 此 種 方 法 是 通 過 軟 件 實 現 的 ， 如 果 是 在 設 計 階 段 ， 幾 乎 不 增 加 成 本 。 而 且 ， 如 果 高 次 諧 波 超 標 值 比 較 小 的 話 ， 通 過 觀 測 采 用 軟 啟 動 前 后 的 啟 動 電 流 值 即 可 預 測 正 式 測 試 是 否 可 以 通 過 。
需 要 說 明 ， 采 用 線 圈 及 CR元 件 這 種 方 法 時 ， 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 階 段 抽 檢 不 合 格 ， 需 要 采 取 補 救 措 施 ， 可 能 造 成 產 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 主 要 輻 射 源 。 需 要 注 意 以 下 幾 個 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 對 輻 射 有 多 大 影 響 ， 但 須 注 意 ， 盡 量 不 要 把 散 熱 板 設 置 成 地 線 的 一 部 分 ， 有 些 場 合 ， 這 種 做 法 會 導 致 輻 射 在 整 個 測 試 頻 率 范 圍 內 大 幅 度 提 高 。 作 為 應 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 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 干 擾 源 。
另 外 ， 地 線 應 盡 可 能 寬 、 盡 可 能 短 。
2) 直 流 輸 出 電 壓 質 量
在 進 行 輻 射 測 量 之 前 ， 最 好 先 用 示 波 器 測 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 為 它 往 往 也 導 致 輻 射 干 擾 在 整 個 測 試 頻 率 范 圍 內 大 幅 度 超 標 。
3) 主 控 板 與 電 源 的 連 線
如 低 頻 輻 射 (30～ 84 MHz)超 標 ， 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 ， 通 常 把 所 有 連 接 線 束 都 穿 過 磁 環 。 當 然 ， 磁 環 的 特 性 和 安 裝 位 置 需 要 合 適 。
加 裝 磁 環 降 低 傳 導 噪 音 的 一 個 實 例 是 將 磁 環 加 裝 在 主 控 板 與 電 源 的 連 線 中 間 位 置 。
4) 電 源 線 上 加 裝 磁 環
在 電 源 線 上 加 裝 磁 環 ， 需 要 注 意 對 于 不 同 的 機 電 產 品 和 電 源 ， 磁 環 安 裝 位 置 是 有 區 別 的 。 有 時 候 安 裝 在 機 器 外 部 電 源 線 上 效 果 好 ， 有 時 候 安 裝 在 內 部 電 源 線 靠 近 電 源 處 效 果 好 ， 這 就 需 要 測 試 一 下 才 能 確 定 裝 在 哪 里 比 較 合 適 。
磁 環 安 裝 在 電 源 線 上 是 一 箭 雙 雕 的 好 方 法 ， 既 可 以 降 低 傳 導 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 還 不 夠 。
5) 元 器 件 選 用
電 源 上 很 多 元 器 件 對 輻 射 有 較 大 的 影 響 ， 比 如 主 開 關 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 于 電 源 二 次 側 的 整 流 二 極 管 來 說 ， 可 選 用 的 器 件 種 類 有 快 恢 復 二 極 管 （ FRD） 、 超 快 恢 復 二 極 管 （ SRD） 及 肖 特 基 二 極 管 （ SBD） 等 ， 其 中 SBD目 前 基 本 上 應 用 于 低 輸 出 直 流 電 壓 的 場 合 。
這 里 有 一 個 實 例 ， 在 批 量 生 產 前 發 現 余 量 非 常 小 ， 在 33.960 MHz頻 率 時 僅 為 － 1.07， 因 此 采 取 了 兩 個 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 時 間 trr為 35 ns， 后 改 用 MUR2020CT， 其 trr為 25 ns） 。 二 是 去 掉 了 一 個 散 熱 板 單 端 接 地 處 的 接 地 布 線 ， 見 圖 2中 箭 頭 所 示 ， 結 果 輻 射 余 量 在 原 問 題 頻 率 附 近 增 大 到 － 4.15， 達 到 了 規 格 要 求 。
4. 2 主 控 板 輻 射 的 抑 制
主 控 板 也 是 主 要 的 一 個 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 據 處 理 ， 因 此 往 往 產 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 ；
2) 元 器 件 選 用 ；
3) 在 高 速 信 號 線 上 使 用 零 電 阻 電 感 等 ；
4)地 線 的 布 設 方 面 ， 比 如 模 擬 地 與 數 字 地 的 噪 音 隔 離 技 術 ；
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 選 擇 幾 層 板 是 非 常 重 要 的 ， 它 們 對 輻 射 的 影 響 非 常 大 。 就 一 般 應 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 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 之 前 解 決 ， 一 旦 在 生 產 階 段 發 生 抽 檢 不 合 格 的 情 況 ， 非 常 被 動 。 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 輻 射 大 小 也 有 一 定 影 響 。
1) 電 機 控 制 板 與 電 源 線
許 多 機 電 產 品 會 用 到 直 流 電 機 ， 需 要 精 密 控 制 的 地 方 還 會 用 到 步 進 電 機 ， 電 機 的 控 制 板 會 產 生 輻 射 噪 音 。 除 了 在 設 計 控 制 板 時 盡 早 考 慮 降 低 輻 射 外 ， 在 電 機 的 電 源 線 上 加 裝 磁 環 也 是 一 個 有 效 的 辦 法 ， 如 果 電 源 線 在 磁 環 上 繞 兩 匝 ， 效 果 會 更 好 。
2) 易 產 生 靜 電 零 件 的 接 地
機 電 產 品 上 有 一 些 轉 動 的 金 屬 零 件 和 構 件 會 產 生 靜 電 ， 靜 電 通 常 不 會 產 生 值 得 注 意 的 輻 射 ， 但 如 有 可 能 ， 最 好 給 這 些 零 件 和 構 件 加 上 接 地 裝 置 ， 及 時 泄 放 靜 電 ， 既 可 以 不 影 響 機 器 性 能 ， 也 有 利 于 降 低 輻 射 。
5 結 語
總 體 上 ， 降 低 電 磁 干 擾 的 種 種 措 施 既 有 理 論 依 據 ， 又 有 實 踐 經 驗 ， 有 時 候 積 累 經 驗 更 為 重 要 。 降 低 電 磁 干 擾 需 要 板 級 設 計 者 （ 電 源 設 計 者 和 主 控 板 設 計 者 等 ） 和 電 磁 兼 容 工 程 師 兩 方 面 的 技 術 協 調 。 不 管 怎 樣 ， 需 要 盡 早 在 設 計 階 段 就 解 決 問 題 ， 以 避 免 批 量 生 產 時 出 現 超 標 問 題 導 致 成 本 大 幅 度 上 升 的 困 境 。
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