EMC测试总结

EMC测试总结 100A斩波电源EMC测试总结 1 术语解析 EMC(Electro Magnetic Compatibility)，直译是"电磁兼容性"，意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰，也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。 EMI(Electro Magnetic Interference)，直译是:电磁干扰:，包含设备受到干扰后性能降低和设备产生干扰这两层意思。通常我们所说的EMI测试是指第二层意思，即干扰源。 EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直译是"电磁敏感度"，其意是指由于电磁能量造成性能下降的容易程度，即抗电磁干扰性。 习惯上，我们把EMC分为EMI和EMS两个方面。其中EMI包括: , 传导测试Conducted Emission , 辐射测试Radiated Emission , 功率辐射测试Power Clamp Test , 电流谐波测试Current Harmonics Test , 电压波动测试/闪烁Voltage Fluctuation Test /Flicker , 磁场辐射Magnetic Field emission EMS又分别包括: , 静电测试Electrostatic Discharge (ESD静电放电) , 辐射敏感度测试Radiated Susceptibility (R/S) , 快速瞬变脉动测试Electrical Fast Transient (EFT rst) , 浪涌/雷击测试Surge Test , 传导敏感度测试Conducted Susceptibility , 工频磁场测试Power Frequency Magnetic Field Test , 电压跌落/中断测试Voltage Dips/interruption Test 注:本次100A斩波电源的EMC测试项目为由黑体标识。 电磁干扰三要素:干扰源、传播途径、敏感部位(受干扰设备) 2 关于抗干扰(EMS)在此不多介绍。 3 EMI干扰的产生 电磁干扰是基于电磁感应的原理而产生。我们设备当中，开关管器件是产生干扰的主要部分。开关管的工作状态是高速将电流和电压通断。在开通时，其导通电流将引起较大的开通损耗，产生很大的电流瞬变di,dt:同样，在关断时会产生很大的电压瞬变du,dt。由于电路出现电流瞬变di,dt和电压瞬变du,dt，从而产生高频谐波、高频寄生振荡和高频电磁波幅射，形成电磁干扰(EMI)。 另外，整流二极管、晶振等器件也同样会产生电磁干扰。 4 EMI干扰信号的分类 一般意义上，电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰;辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。 4.1 传导干扰 传导干扰又分为差模干扰和共模干扰。设备火线零线分别做往返线路传输的信号为差模信号，主要由di/dt引起;两根导线都做去路，地线做返回线路传输的信号为共模信号，主要由du/dt引起。型式见下图: CI DI 设备 源 源 设 备 信号走向 信号走向 根据差模信号产生的原理，我们可以采用等效电感和阻抗很低的高质量滤波电容来抑制差模信号。 根据共模干扰产生的原理，实际应用时常采用以下几种抑制方法: 1) 优化电路器件布置，尽量减少寄生、耦合电容。 2) 延缓开关的开通、关断时间。但是这与开关电源高频化的趋势不符。 3) 应用缓冲电路，减缓dv/dt的变化率。 4.2 辐射干扰 基于电磁感应原理，变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场，所以设备内部突变的电信号即成为一个电磁辐射源，它产生辐射的范围和强度由电磁场变化的速率和幅值所决定。 根据辐射干扰产生的机理，我们可以通过 5 传播途径 耦合是电磁干扰的传播途径，它有三种形式:直接耦合、感应耦合和辐射耦合。 , 直接耦合，干扰借助导线直接传播。明显，消除这种耦合，我们不能切断传输介 质，只能采取“堵”或隔离的方法。 , 感应耦合，分磁感应耦合和电感应耦合。因感应场传输能量有随距离成平方衰减 的特性，所以我们可以采用调节干扰源与受干扰设备的距离或者采取屏蔽的方法 来抑制干扰。 , 辐射耦合，分为甲天线发射的电磁波被乙天线接收，称为天线对天线的耦合;空 间电磁场对导线的耦合，场对线的耦合;两根平行导线之间的高频信号感应，线 对线的耦合。 具体实现: a 共阻抗耦合 两个电路存在公共阻抗时(公共阻抗主要有共回路导线、共地阻抗、共源阻抗)，一个电路的电参数对另一个电路的电参数产生影响。如下图。 Rs CC源 I 1 I 2 1 2 其中一个电路电流的增大势必导致另一个电路电流的减小，电流的不断变化就会产生变化无常的电场和磁场，引起电磁噪声。在高频数字系统中，当电路1工作时，会在回路公共阻抗上产生高频数字噪声，该噪声在电路2的回路中使地线“飘动”，导致地线不稳定，进 而导致整个电路工作不稳定。 针对以上所述，消弱公共阻抗耦合主要有两个办法:降低接入阻抗，电源线的布线要根据电流的大小尽量加大截面积。使电源线的走向尽量与信号走向方向一致，减小存在噪声单元和其他单元之间的公共电源阻抗。电路板按功能分区，各区地线并联，尽量考虑单点接地。使用去耦电容，在电源线和地线之间接入去耦电容，以缩短电流的流径，降低电阻压降。 b 电感性耦合 任何两个回路之间都存在着互感。互感值与介质的磁导率u成正比，并与两个回路的几何尺寸有关。 c 电容性耦合 任何两个导体之间都存在着电容，电容值与介质的介电常数e 和两个导体的有效面积成正比，与距离成反比。 6 削弱干扰的措施 , 根据差模信号产生的原理和传播途径，我们可以采用等效电感和阻抗很低的高质 量滤波电容来抑制差模信号。为了达到更好的效果，我们可以加装电源线滤波器。 , 根据共模干扰产生的原理和传播途径，实际应用时常采用以下几种抑制方法: 1) 优化电路器件布置，尽量减少寄生、耦合电容。 2) 延缓开关的开通、关断时间。但是这与开关电源高频化的趋势不符。 3) 应用缓冲电路，减缓dv/dt的变化率。 , 对于辐射干扰来说，由于其干扰信号成分以及传播途径都比较复杂，所以很难把 握。大致上，一方面可以通过减小源的辐射强度，例如减缓dv/dt和di/dt的变 化率，另方面可以通过屏蔽来减小被干扰强度。 7 100A斩波电源的EMC测试整改过程 7(1 首次对设备的EMC进行了整体的摸底测试。测试结果如下: 参照一些相应的国家标准，我们的设备在对外界干扰方面，不理想，两个测试项目(传导发射和电场辐射)都不合格，在抗干扰方面，表现还可以，基本通过。在测试时，我们都把电压下调30%，190V左右。 1. 发射方面: 传导发射，L线(N线类似) Level [dB 120 礦]100 xxxxx+x+80++++ 60 40 20 0 150k300k500k1M2M3M5M7M10M30M Frequency [Hz] x MES 92705V1_fin QP + MES 92705V1_fin AV 辐射发射如图(天线垂直方向) Level [dB 80 70礦/m] 60 50 x40x x 30x 20xx10 0 30M50M70M100M200M300M500M700M1G Frequency [Hz]2. 抗干扰方面: x MES 92705FHV_fin QP , 静电干扰，对金属面部分6KV接触放电，ok，但是对控制面板6KV空气放电，工MES 92705FHV_pre PK 作不正常。设备整体可以正常工作。 , 电磁场干扰，包括80M到1G 赫兹的干扰，干扰源分3v/m和10v/m(等级较高)。 先说3v/m垂直干扰，目标电压187，在80—90MHz时，显示面板电压值有抖动， 在186—193v之间。后续频段没有发现异常。3v/m的水平干扰没做测试。 再说10v/m的垂直干扰，在80—90M Hz时，显示面板电压值有抖动，在186—193v 之间。后续频段没有发现异常。 10v/m的水平干扰，在80—100MHz时，电压值在180—220v之间抖动，在 100---200M Hz时，电压值在176---190v之间抖动，并且有两次液晶出现短暂的无 显示。 , 脉冲群干扰，0.5KV脉冲群测试时，第一个脉冲出现电压值跳动，之后都正常。2kv 脉冲群测试时，无异常现象。 , 浪涌干扰，零火之间2KV浪涌，无异常现象。(国标中规定了四个等级和一个不 限定等级，2KV是3级，四级是4kv)。 7(2 首次整改 在传导方面，设计电源线滤波器;在辐射方面，在设备内部贴铝箔纸以加强屏蔽。 7.2.1 滤波器设计 滤波器结构如下: L Y1 Y3 R1 X1 X2 Y4 Y2 N 参数确定: , 放电电阻。放电电阻R1的选择原则是:在容许的情况下，阻值越小越好，以给X 电容容量的选择留下足够的空间。R1的选择还应考虑耐压(通常选金属氧化膜电 阻，电压按0.75降额)和功耗(按额定功率的0.6降额)。假设，所选电阻的额定 功率为Pr，承受的最高输入电压有效值为Vinmax，则有: 2 R1> (Vinmax)/(0.6×Pr) 如:设Pr=2W，Vinmax=300V，则R1>75K，可取R1=100K。 R1的另一限制是:其承受的瞬时功耗不能超过额定功率的四倍。R1承受的瞬时最大功耗与浪涌或雷击经过防护电路后的残压有关。设残压为1200V，则R1还应满足: 2 R1> 1200/(4×Pr) 将Pr=2W代入上式得R1>180K，所以取R1=100K不满足这一条件，综合考虑应取R1=200K较合理。在此要注意:从放电电阻R1承受的瞬时功耗方面考虑，R1的位置也很重要，放在最前面显然不合适，放在中间某一位置或后面较好。 , XY电容 X电容 (1) X电容容量的选定 X电容容量的选择受到放电时间的限制，根据安规要求，断电后输入端口电压放电到安全电压峰值42.4V的时间不超过1S，可根据下面的经验公式估算:设Cx为所有X电容的总和。 Cx<1/(2.2×R1) 将R1=100K代入上式得:Cx<4.5uF，可取Cx=4.4uF，所示的电路中，X电容共有两个，每个X电容的容量为2.2uF。 (2) X电容的耐压要求 X电容的选择还要考虑耐压能力(按额定电压的0.6降额):由于X电容靠近电源线输入端，所以必须具备承受瞬时高电压(高达1200V)的能力。 (3) X电容的频率特性(低的ESR和ESL): 对同样材质的电容器，容量越小，频率特性越好。电容器典型的频率特性是:随着频率的增加，电容总的等效容抗减小，但当频率增加到某一值时，容抗却反而开始增加。假设把这一频率定义为电容容抗的转折频率，则电容容量越小，转折频率越高—即频率特性越好。因此，为得到相同的电容量，可采用将若干小容量电容并联的方式，这样可提高电容的高频特性。 Y电容 (1) Y电容容量的选定 Y电容容量的选择受到漏电流的限制，根据安规要求，在额定输入电压下，相线或零线 对地的漏电流不 超过3.5mA。假设相线或零线分别对地的电容为Cy，则有: 220×2πfo×Cy<3.5mA 上式中:fo=50HZ为工频频率，代入上式可得Cy=(Cy1+Cy3)=(Cy2+Cy4)<0.056uF，考虑到设备本身还有一定的漏电流，实际中我选取Cy=0.013uF。 (2) Y电容对频率特性的要求参考X电容的选择。 在选择X、Y电容时，用相对较小的电容通过并联获得满足要求的容量较大的电容尤为重要，这将大大改善电容的高频特性。电容的频率特性还有一重要特点就是:在低于转折频率时，容抗和频率的关系为:Zc=1/(2лfC)—即单个电容的容量越大容抗越小;但是在频率超过转折频率后，随着频率的增加，不同容量的电容的总的容抗趋于相同。也就是说，对于超高频(频率大于50MHZ)的信号而言，不同容量的电容(对单只而言)，抑制高频干扰的效果是一样的，如0.1uF等同于0.001uF。所以，仅依靠增加单只电容容量想要提升电路抑制干扰的能力是不可能的，相反采用多个电容的并联却能得到比较理想的效果。 , 截止频率确定 确定fcn的一般方法 扼流圈截止频率fcn要根据电磁兼容性设计要求确定。于骚扰源,要求将骚扰电平降低到规定的范围;对于接收器,其接收品质体现在对噪声容限的要求上。对于一阶低通滤波器截止频率可按下式确定: 骚扰源:fcn=kT×(系统中最低骚扰频率); 接收机:fcn=kR×(电磁环境中最低骚扰频率)。 式中,kT、kR根据电磁兼容性要求确定,一般情况下取1/3或1/5，我们测试频率下限是150KHZ,所以可以选fcn为20—30KHZ , 共模电感量 共模电感量的计算 在Y电容Cy选定以后，再根据要求(最好能知道开关整流器的频谱特性)确定一截 止频 率f，则L可根据下式求得: 0S2 L=1/[(2πf)Cy] S0 假设fo=20KHz，Cy=Cy1+Cy3=0.02uF，得:L约为4mH。 S 实际绕制共模电感量为4.8mH，将电源滤波器制好后，安装在设备接线端口，良好接地。 首次整改后测试结果如下: 传导发射L线 Level [dB 120礦] 100 xxxx+++x+x+80+ 60 40 20 0 150k300k500k1M2M3M5M7M10M30MFrequency [Hz] x MES 93004V1_fin QP + MES 93004V1_fin AV MES 93004V1_pre PK MES 93004V1_pre AV LIM EN 55011 V QP Voltage QP Limit LIM EN 55011 V AV Voltage AV Limit 辐射发射 Level [dB 辐射发射 80 礦/m]70 60 50 40 30 20 10 0 30M50M70M100M200M300M500M700M1G Frequency [Hz] LIM EN 55011 F QP ClassA Field Strength QP LimitMES STD_SUB1 比较可以看出，传导虽有好转，可是依然超标很高。为什么没有达到理想效果，考虑可 能与滤波器没有安装屏蔽盒有关。 辐射方面基本没有改变，可见屏蔽基本没有起到效果。 针对辐射，尝试在输出端加Y电容，L、N对地各2.2nf，测试如下 Level [dB 80 70礦/m] 60 50 40 30 20 10 0 30M50M70M100M200M300M500M700M1G Frequency [Hz] LIM EN 55011 F QP ClassA Field Strength QP LimitMES STD_SUB1 可见辐射方面，输出端口的共模信号干扰比骄严重。后来尝试调节Y电容大小，都没有得到更好的效果。 7.3 再次整改 传导方面，定制购买了专业的电源线滤波器，内部参数，经过粗略测试与之前自己设计的滤波器参数相当。 辐射方面，经过近场探头测试，设备外壳辐射较为严重，考虑加强屏蔽，用铜皮包裹开关管部分和电感。采用了多点接地策略。并且加大了开关管的输出端对地的电容(由10nF 加大到12nF)，在电容板电感输出端对地加Y电容，2.2nF。 测试结果: 传导方面: 礦]Level [dB 100 80 xx60xxx+++x+++ 40 20 0150k300k500k1M2M3M5M7M10M30MFrequency [Hz] x MES 93207V2_fin QP + MES 93207V2_fin AV MES 93207V2_pre PK MES 93207V2_pre AV LIM EN 55011 V QP Voltage QP LimitLIM EN 55011 V AV Voltage AV Limit Level [dB 80辐射方面: 70礦/m] 60 50 40 30 20 10 0 30M50M70M100M200M300M500M700M1GFrequency [Hz]传导勉强过关。 LIM EN 55022 F ClassA QP Field Strength QP LimitMES STD_SUB_A1 辐射有所好转，主要矛盾集中在60M以前，可见加强屏蔽可以起到一定的效果。近场探头 测试，设备外壳辐射仍然较为严重，测试输出端口，似乎发现不是很明显。 7.4 最后一次整改 依然进一步加强屏蔽，测试，发现最高峰值下降了5个db，但依然超标。考虑是否是输出 端口有辐射超标，尝试在输出端口加装4mH的共模电感和25nf的y电容。测试结果: Level [dB 80 70 礦/m]60 50 40 30 20 10xxxx 0xx 30M50M70M100M200M300M500M700M1G Frequency [Hz] x MES 93208F2V_fin QP MES 93208F2V_pre PK LIM EN 55022 F ClassA QP Field Strength QP Limit 辐射垂直涉险通过。测试水平方向如下: Level [dB 80 70 礦/m]60 50 40 30 20 10 x0 x xxx 30M50M70M100M200M300M500M700M1G Frequency [Hz] 至此，100A斩波电源的EMC测试通过。 x MES 93507F2H_fin QP 8 经验小结 MES 93507F2H_pre PK a 电源线滤波器，一定要安装在屏蔽盒中并且良好接地，才能达到好的效果。 b 接地与接地线。对高频信号的泄放，尽量采用多点接地。在高频信号传输时，不可忽视 接地线的等效电感量，对信号的阻抗wL，尽量使用扁平线。直圆导线，线径越小，电 感量越大。 计算方法:L=(μo*l/2*π)*(ln(2*l/r)-0.75) [H] 式中: L :圆直导线的电感量 [H] l :圆直导线的长度 [m] r :圆直导线的半径 [m] μo :真空(空气)的导磁率 μo=4*π*10^-7 [H/m]尽量用扁平线。 c 在测试传导过程中，如果设备的辐射超标，可能会将辐射骚扰耦合到传导测试的电源线 当中，会影响传导测试结果，如此可以，考虑使用屏蔽线，当然，如果传导干扰本身有 很大的余量，则也可以不使用屏蔽线。 d 不可忽视电容引脚的电感量，引脚尽最大努力最短。 e 使用近场探头做评估检测时，我将探头尽量靠近设备(不接触)测试，发现设备外壳的 辐射远远大于输出端口的辐射，所以将主要矛盾放在屏蔽方向。实际上，由于辐射的能 量随着传输距离成平方衰减，故而，我在先前使用近场探头评估时，忽略输出端口的辐 射是错误的，输出端口的骚扰会以输出电缆为天线向外传输发射，对测试结果的影响或 许比外壳泄露的辐射要严重的多。 f 屏蔽是削弱辐射的简单并且有效的措施，但是，在工艺上比较复杂，通过屏蔽来削弱辐 射骚扰，我认为是将技术上的难度转化为工艺上的难度。 g 电磁兼容应该从pcb开始就作为一个指标任务考虑到。