13 开关电源电磁兼容设计试验和对策案例分析共193页要点.docx

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13开关电源电磁兼容设计试验和对策案例分析共193页要点

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本章讲述开关电源的电磁兼容性设计，试验和对策案例分析，一部分是作者和部分同事在日常工作中的体会，还有一部分是通过不同途径收集得到的资料，现将它们汇集在一起，以满足读者的需要。

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案例1：

电磁干扰问题的诊断和整改步骤

当一个产品无法通过电磁骚扰发射测试时，不能先入为主地主观确定要在哪些地方采取措施。

因为最后发现问题的地方往往都是起先认为不太可能的地方。

由于电磁骚扰发射问题的错综复杂性，因此不论产品熟悉与不熟悉，都要逐一确认，甚至要多次确认。

下面是一套电磁干扰诊断参考步骤，能快速找出产品的电磁骚扰发射问题，有较强的实用性。

2010-12-3QIANZHENYU4■步骤一

将桌子转到被试设备最大发射的位置，初步诊断造成被试设备辐射大的原因。

并关掉被试设备电源加以确认。

说明：

在测试设备的辐射骚扰发射时，被试设备必须旋转360360°°，测量用天线的高度要在1m到4m内变化，其目的是要记录辐射最大的情况。

同样，在发现无法通过测试时，首先要将天线位置移至接收噪声为最大的高度，然后将桌子也转到噪声为最大的角度。

由于被试设备目前面对天线的这一面辐射为最强，故可以初步推测造成辐射过强的原因，例如在这个位置上是不是设备的屏蔽不好，或者太靠近设备内部的辐射源，以及这个位置上有没有电线电缆经过等等。

辐射源，以及这个位置上有没有电线电缆经过等等。

必必要时还可以借助测量探头、频谱仪（或测量接收机，甚至是示波器来探测造成辐射过强的部位，从而探究造成辐射过强的原因辐射过强的原因。

。

2010-12-3QIANZHENYU5另外，必须注意的是，要关掉被试设备的电源，看噪声是否存在，以确定噪声是不是的确是由被试设备所产生。

曾经见到过在测试监视器时，某一频点始终存在无法解决的骚扰超标现象，直至最后才发现这是由个人计算机而非监视器所造成。

亦有在开阔场测试监视器发现有某几个频点无法通过，初步判断应该是监视器产生的﹐结果关掉电源后发现噪声依然存在（背景噪声）的例子。

所以关掉被试设备电源这一步骤是必须的，而这一点在测试中是容易被忽视的。

2010-12-3QIANZHENYU6■步骤二步骤二

将连接被试设备的周边电缆逐一取下，看干扰的噪声是否降低或消失。

说明：

倘若取下某一根电缆，而频点上的辐射骚扰减小，或倘若取下某一根电缆，而频点上的辐射骚扰减小，或者者甚至消失，则可以认定该电缆已成为辐射天线，将机内的电磁噪声辐射出来。

任何电磁骚扰必须要有天线的存在，才能产生辐射。

倘若只存在噪声源而没有天线这一条件，即使有辐射源存在，在，充充其量其量其其值也是应该很小的。

假设接了天线，由于天线效应便能把能量辐射到空间。

所以电磁骚扰辐射的对策除了要针对噪声源做处理外，最重要的是要检查产生辐射的条件，即天线。

2010-12-3QIANZHENYU7下面是几种常见的产生辐射的原因：

①设备外部连接的电缆成为辐射天线

对于由设备外部连接的电缆成为辐射发射天线的情况，噪声的大小与电缆的长度有关，尤其是当电缆线的长度接近于是噪声的半波长时为最大，常造成电磁辐射骚扰无法通过测试。

所以在发现有辐射超标时，必须人为对外部连接电缆做一些判断（估计一下超标频率的波长与相应电缆线长度之间是否存在某种必然关系），否则很可能因为疏忽而浪费时间。

2010-12-3QIANZHENYU81当噪声是由设备内部的印刷线路板或接地所产生，并经电缆线传输，在这过程中，噪声在电缆线上边传导、边辐射，导致辐射超标。

作为判断，可先将电缆线取下，或在电缆线上套一颗铁氧体磁珠（磁环或磁筒），若发现噪声减低或消失。

倘再将电缆靠近设备（用不着直接连接），噪声并没有因此而明显升高，故可以断定该噪声确实是由设备内部产生，然后通过连接电缆向外边传输、边辐射的。

22假使噪声是由设备内部产生，经过电磁耦合后进入外假使噪声是由设备内部产生，经过电磁耦合后进入外部电缆，使外部电缆成为辐射天线的。

作为判断，只要将这条电缆靠近设备，如果从测试的图谱上可以看到噪声立刻升高的，这表示噪声已不单纯是由电缆线所带出来的，而是设备本身具有相当大的噪声能量，所以在有电缆线靠近设备时，噪声会通过耦合而进入电缆线，然后利用电缆线的天线作用再辐射到周围空间。

不少通讯类产品确有这种情况发生。

对于这种情况简单地采用铁氧体磁珠（磁环或磁筒）进行处理，并不能彻底解决问题。

2010-12-3QIANZHENYU9②机器内部的引线﹐连接线成为辐射天线

在产品内部的一些部件之间经常会通过一些内部连接线的连接来完成应有的工作。

当这些内部连接线靠近噪声源时就很容易成为辐射天线，将噪声辐射出去。

针对这一情况，对于200MHz以下的噪声，可以在内连线上套铁氧体磁珠（磁环或磁筒）来进行抑制（多数铁氧体磁珠、磁环和磁筒的峰值抑制频率在100MHz左右）。

对于200MHz以上的高频噪声，我们可以将内连线的位置做前后左右的移动，通过观察噪声是否会增大或减小来进行判断。

③印刷线路板上布线太长、布线不当而成为辐射天线由于印刷线走线太长或太靠近噪声源而使印刷线路板的走线被耦合成为发射天线。

对于此种情形当外部电缆都取下，而仅剩电路板时，在测量仪器（如频谱仪）上依然可以看到有噪声存在，此时可用探棒测量印刷线路板噪声最强的地方，找到辐射的原因，并加以解决。

2010-12-3QIANZHENYU10④电路板上的组件成为辐射来源

也曾发现也曾发现数字集成电路数字集成电路数字集成电路和和微处理器微处理器电路电路电路在运行时会产生很在运行时会产生很大的辐射，使得电磁辐射发射测试无法通过大的辐射，使得电磁辐射发射测试无法通过。

。

这时在经过①、②和③的分析后的分析后会

会发现噪声依然存在，在这种情况下，最常用的解决办法是换一个类似的组件下，最常用的解决办法是换一个类似的组件（不同牌号的（不同牌号的同类组件往往有不同的电磁兼容性能）同类组件往往有不同的电磁兼容性能），，观察电磁辐射的发射有没有好转。

发射有没有好转。

必要时同样可以借助测量探头、频谱仪

必要时同样可以借助测量探头、频谱仪（或测量接收机，甚至是示波器或测量接收机，甚至是示波器

来探测造成辐射过强的部位。

有时也可有时也可能能要对印刷线路板重新布局和布线。

新的布局要注意在高频和高速线路附近应该没有输入/输出接口及其连接线等经过。

当然情况允许，将这部分电路采用局部屏蔽也是一种快速而有效的办法。

2010-12-3QIANZHENYU11通过上面的分析，不难了解到造成电磁辐射的最关键地方就是电线、电缆问题，只要充当天线的条件存在，就很容易产生电磁辐射。

另外，电源线也往往是造成天线效应的主要方面，这是在许多电磁辐射对策中很容易疏忽的地方。

2010-12-3QIANZHENYU12■步骤三

当电源线无法移去，可在线上套铁氧体磁环，或者将电源线进行水平与垂直摆动，观察噪声是否有减小或变化。

对于有电池的产品（如笔记本电脑），则可以通过取下电源线来判断（判断噪声是不是与电源线有关）。

说明：

如前所述，电源线往往也会成为辐射天线，尤其是台式计算机这类产品。

对300MHz以上的噪声，会由空间耦合到电源线上，所以判断产品的电源线是否受到感染是必须的步骤。

受噪声频带的影响，对200MHz以下的频率，可用套铁氧体磁环的方式进行判断（可一次多套几个）。

对于200MHz以上的噪声，由于铁氧体磁环的作用不大，可将电源线通过水平摆放和垂直摆放，来看噪声是否有差别。

若频谱仪上显示噪声的大小有明显的差别，则表明电源线已成为辐射天线。

2010-12-3QIANZHENYU13倘若辐射确实是由电源线产生的，通常的办法是要让设备内部的电磁噪声减小，以避免电源线的二次辐射。

对于通过电磁耦合将噪声引入电源线的，拉大噪声源与电源线的距离是必须的，但有时换用一根屏蔽线也取得很好的电磁噪声的抑制效果。

由这一点我们可知道，除了要使可能产生辐射噪声的组件远离输入离输入/

/输出端口外，也必须尽量远离电源线以及开关电源的板子，以免从电磁的噪声耦合到电源线上，使得辐射及传导都无法通过电磁兼容测试。

2010-12-3QIANZHENYU14■步骤四

检查电缆接头端的接地螺丝是否旋紧，以及外端接地是否良好。

说明：

依前面三个步骤找了一下问题后，必须再做一些检查，透过这些检查，也许不须做任何修改，便可通过电磁骚扰的辐射测试。

例如检查电缆端的螺丝是否旋紧。

这时可以将松掉的螺丝上紧，以加强电缆线的屏蔽效果。

另外，还可以检查设备外接连接插头的接地是否良好，假设外壳为金属而且有喷漆，则可考虑将连接插头处的喷漆刮掉，使其接地效果较佳。

再有，如果使用屏蔽电缆线，必须检查接头端处外覆的金属网与连接插头的金属外壳配合是否紧密（有许多性能不好的屏蔽线，例如RS232接口的连接线就是因为屏蔽线的金属屏蔽层并没有与连接插头的外壳紧密配合，以致起不到充份的屏蔽效果）。

2010-12-3QIANZHENYU15另外，对于接插件（如键盘及电源的接插件），还常常由于电缆线的插头与设备的插座之间配合得不好，影响了电磁噪声的辐射。

检查的方法可以将接头拔掉看噪声是否减小，如果是减小了，则有两种可能性，一种是电缆线本身的辐射干扰；另一种是接头间接触不好。

这时插上接头，用手将接头端子稍微向左右摇动，看噪声是否会减小或消失，若会减小可以将键盘或电源的连接头，用铜箔胶带贴一圈，以增加其和机器接头的密合度，这一点也是实测上很容易被疏忽，而会误判机器的电磁辐射为什么在每次测试时时好时坏，以致花了许多时间在其对策上面试时时好时坏，以致花了许多时间在其对策上面.

.

2010-12-3QIANZHENYU17造成开关电源电磁骚扰发射大的主要原因是由于开关电源在工作时在其初级和次级回路里的电流和电压有着很高的变化率，因此，在这些波形中含有丰富的高频谐波。

另外，在晶体管的开关过程和整流二极管的反向恢复过程中，电路中的寄生电感和电容还会引发高频振荡，这些也是造成电磁骚扰的来源。

2010-12-3QIANZHENYU18以反激式开关电源为例（图1a），上面讲到的寄生参数（例如，分布电容）还存在于高频变压器的初级和次级之间（图1b，图中变压器引出端A、B、C、D与图1a的标注一一对应），它给高频的电磁骚扰提供了通路（高频下，变压器的分布电容有较小的容抗）。

图1反激式开关电源和它的高频变压器绕制

2010-12-3QIANZHENYU19为了说明变压器屏蔽层对削弱变压器绕组间的分布电容，改善对电磁骚扰的抑制作用，特意做了以下试验：

先在交流整流滤波之后增设一个13mH差模滤波电感和6.8uF差模滤波电容，然后对开关电源进行电源端的传导骚扰的发射测试，结果如图所示。

图中可见，该电源的传导骚扰发射非常严重，根本不能通过此项测试。

图2反激式开关电源（图1）

增加差模电感和差模电容

后的传导骚扰发射测试

2010-12-3QIANZHENYU20不过这个试验还是透露了一个信息，由于已经采取了差模的抑制措施（即使这个措施不一定非常到位），眼下线路中的传导骚扰发射恐怕主要是由于共模骚扰过于严重所造成的。

为此，做了进一步的试验，在交流整流前增设一个35mH共模滤波电感，用以抑制共模骚扰，新试验的测试结果如图所示，一方面表明新措施得当，这款开关电源可以通过测试了；另一方面也清楚地表明，开关电源在工作

过程中确实产生了大量的共模传导电磁骚扰。

图3反激式开关电源

（图1）增加共模电感

后的传导骚扰发射测试

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