让电源符合 EMC 标准

2019-2-5
在本白皮书中，我们将简要介绍 EMC 的基本知识，以及在设计电源时应考虑的 EMC 关键因素。文中所述的 EMC 测试可用于追踪最常见的故障原因。

1.引言

本文档的主要用途是简要介绍电磁兼容 EMC 要求的基本知识，并将这些知识与电源相关主题联系起来。第一部分是关于 EMC 的原理和定义。除了辐射和传导发射外，还列出并解释了其他更多 EMC 相关的主要测试程序。因此，您将通过这部分内容了解到多种 EMC 测试程序。

第二部分详细介绍耦合机制，通常每个 EMC 演示中都包含这些机制。这一部分中的信息适用于所有 EMC 问题。

提到电源和 EMC，就不可避免会提到防止瞬态干扰所需的保护设备。因此，第三部分将介绍安放这些保护设备时的特别注意事项。第四部分是关于三种不同 DC/DC 转换器的以 EMC 为重点的设计。在对各项措施进行解释的过程中，会涉及到第二部分的内容。

本文的最后一部分内容来自实践经验，主要关于如何找到噪声源以及在考虑到 EMC 的情况下如何开始设计。因此，其中不仅包含有关如何处理失败设计的内容，还包含应在开始设计之前完成的准备工作，以实现一次性通过。

2.原理

每个电气设备都会发射和接收电磁干扰。因此，通常每个设备既是干扰的源头，也是干扰的接收端，如图 1 所示。然而，由于这些设备的性能，其中一些设备成为明显干扰源的可能性更大，而有些设备成为干扰接收端的可能性更大。例如，心脏起搏器更有可能是干扰接收端而不是干扰源。

发射或接收干扰有两种方式。第一种是通过自由空间；不需要介质。移动电话就是利用这种现象来操作的。它们发射编码电磁波，也接收并解码电磁波，从而发送和接收信息。然而，采用这种方式的并不仅仅是电磁波；电场和磁场也可以扩散和耦合到设备中。

第二种传播方式是通过电线、金属片或任何导电物质。就像辐射发射一样，可能会出现几种类型的干扰。


图 1：原理
除了与频率相关的干扰，我们还测试（例如以 EN 55022 为依据）瞬态干扰，例如浪涌、突发和静电放电 (ESD) 等非常重要的干扰。

3.EMC 指令

根据当前欧盟 EMC 指令 2014/30/EU，在 EMC 的规定之下，要求设备必须能在其电磁环境中可靠运行，而不会对环境中的其他设备产生不可接受的电磁干扰，也不会受到其他设备所产生的电磁干扰 (EMI) 的不利影响。该指令既涉及到辐射发射和磁化率（电磁场），也涉及到传导发射和磁化率（电缆沿线的干扰）。此外，该指令要求在可能发射最多干扰的模式下进行发射测试，并且必须在设备对外部干扰最敏感的模式下进行抗扰性测试。

4.典型 EMC 测试

当考虑 EMC 测试或 EMC 问题时，我们通常会想到辐射或传导发射；但还有一些其他因素需要考虑。但经验表明，传导和辐射发射测试基本上是工程师们必须面对的最关键测试。

传导发射

对进入或离开设备的线路上 9 kHz 至 30 MHz 范围内的低频干扰电压进行测量，称为传导发射测试。这种测量的目的是避免通过电缆或其他共用传导路径连接的多个设备之间产生干扰。如果测试设备的发射保持在限值以下，则可能不会对其他设备造成任何干扰。

辐射发射

对 30 MHz 以上的干扰电场进行测量称为辐射发射测试。与传导发射测量类似，这种测量通常也是根据国际无线电干扰特别委员会 CISPR 16 标准进行设置的。根据特殊 CISPR 标准，将应用限值。例如，CISPR 11 涵盖工业、科学和医疗设备，而 CISPR14 涵盖家用电器和电动工具。

该测量确定受测设备发射的电磁波是否可能干扰附近其他电气设备。

ESD

另外一种关键测试的范围包括瞬态干扰，例如 ESD。对于 ESD 测试，将对设备的导电部件、附近具有特定距离和设置的导电金属部件或设备的不导电但可触摸部件施加特定波形的脉冲。这些脉冲通常会在极短时间内在系统中产生电场和高电流，从而可能引发中断、关断、重置或任何其他不利行为。因此，设备应采用能抵御这些电磁现象的设计。根据设备的典型使用环境，如果特定标准中没有提及，则不同的测试等级均有效。

ESD 脉冲相当高（高达 +/-15 kV）而且非常快（ns 范围）。由于直接或间接施加到设备的脉冲速度极快，因此该测试是最关键的 EMC 测试之一。

浪涌

浪涌测试通过电流耦合将特定波形的脉冲施加到受测设备的线路上。目的是测试设备在对抗间接雷击时的稳健性。除非另有说明，否则必须根据设备的使用环境确定测试等级。浪涌测试的脉冲不是很高（+/-4 kV）且速度非常慢（µs 范围），这会导致大量的能量耗散。这种高能量是该测试的关键部分，很容易导致设备损坏。

突发

突发测试具有浪涌和 ESD 测试的特性。脉冲本身与 ESD 脉冲一样非常快（ns 范围），但和浪涌的脉冲一样低（最大值约为+/-4 kV）。但该脉冲在特定的间隔内会以固定的周期重复。

突发测试模拟电机的电刷火花。尽管脉冲很快，上升时间在纳秒范围内，但由于是容性耦合，设备不必直接消散电流；这是瞬态测试中危害最小的一种类型。

谐波

谐波测试是我们作为电源分销商必须应对的最重要测试之一。可以根据该测量判断是否在 50 Hz 的基频上叠加了谐波失真。

闪烁

设备在短时间内消耗非常高的能量可能会导致电压下降，致使连接同一主电源线的其他设备出现问题。如果这种情况过于频繁或密集，或者影响过大，设备将无法通过闪烁测试。因此，对于在很短的时间间隔内切换高能量的设备，该测试至关重要。通过或未通过测试的标准值依经验确定，具体取决于电压的降幅和这一事件的发生频率。如果设备引起的压降的降幅小，则可以每秒发生多次，如果降幅大，则只允许非常低的发生频率。

电场抗扰性

电场抗扰性测试是对辐射发射测试的补充。该测试确定设备是否对其他电气设备可能产生的外部电场具有抗扰性。测试通常在 80 MHz 到几个 GHz 的频率范围内进行，具体取决于适用标准。施加的电场是在 1 kHz 频率下 80% 调制的调幅信号。

高频干扰

此处提到的高频干扰产生于连接到设备的线路上。该测试旨在分析设备在对抗与该设备连接到同一电气系统中的其他设备所引起的外部干扰时的稳健性。高频干扰测试通常被视为对传导发射测试的重要补充。

电压下降、变化和中断

该测试确定电气设备在主电源电压变化时的反应。该测试包括三个不同的部分，每个部分都有不同类型的电压变化。

必须选择规定设备应如何响应电压波动的响应标准。例如，根据设备应用，设备可在电压波动时关闭。或者，要求设备在电压波动时仍保持运行。

实施压降以检查电压突降对设备的影响。

磁场

磁场测试模拟主电源频率为 50 Hz/60 Hz 的均匀磁场。当设备放置在通常由亥姆霍兹线圈产生的磁场中时，该设备必须能正常工作。例如，此类测试对阴极管显示器等设备有着极大影响。

5.耦合类型

下图展示了一个模型，其中 Rk、Ck 和 Zk 代表电路中负责耦合的寄生元件。电流耦合由电阻 Rk 表示。寄生电容耦合由寄生电容 Ck 表示。寄生电感耦合由寄生元件 Zk 表示。

图 2 中唯一没有展示的耦合机制是空气耦合，因为它无法通过寄生元件来描绘。


图 2：耦合机制

电流耦合

图 3 展示了带有补充噪声信号（由电阻值表示）的电路分支。电路中的噪声电流在寄生电阻迹线上产生噪声电压，从而影响电阻负载上的电压。在这种情况下，理想的源可能会因为在共用分支上的噪声增加而变成噪声源。



M降低耦合干扰的措施


图 3：电流耦合
由于电阻负载上电压的影响与共线阻抗成正比，因此可以通过降低阻抗，进而减小两个电路的共用电阻路径，来降低这种类型的耦合。

如果已知噪声的位置和源，就可以降低噪声电流。这可以通过以下几种方法实现：直接在噪声源降噪，使用滤波器在其通往干扰接收端的传导路径上降噪，或者降低噪声频率。由于阻抗是频率相关值，因此共线的阻抗效应与噪声频率成正比。系统中的频率应尽可能慢，必要时也要尽可能快。

为了避免共线，可以对多个电路使用星点拓扑以将噪声部分与负载电路分开。接地系统在单独的一个点连接。

为了避免不可控的耦合，进行布线时应考虑返回路径以及正向路径。由于设计通常包括多个正向和返回路径，因此应确定每个单独路径的排列优先级，并归类为主动、敏感或无关迹线。

最主动的回路具有最高 di/dt，这意味着它应尽可能小，在主动迹线中具有最高优先级。

电容耦合

图 4 中寄生元件 Ck 出现在电路中并联的相邻导线之间。该电容通常非常低，超过该电容时，高频信号可能会耦合到其他元器件，导致出现问题。



措施


图 4：电容耦合
可以采取几项措施来减少电容耦合：

  1. 由于迹线长度与导电部件耦合成正比，因此可以利用短迹线来应对电容耦合。长距离延伸的并联迹线更易产生电容耦合，可能会出现问题，例如与时钟线并联的模拟测量线。
  2. .额外的电容器可以为高灵敏度信号创建对称性，以便在噪声引发问题之前及早将噪声耦合回来。
  3. 可以使用导电材料进行屏蔽，以减少电容耦合。
  4. 也可以降低频率来减少电容耦合。
  5. 在电缆长距离敷设的情况下，使用双绞线（可能已屏蔽）可以有效避免不必要的耦合。

电感耦合

带电导线可以通过磁场进行电感耦合。这些磁场可以耦合到附近的金属器件（可能是敏感迹线），并感应出电流。



措施


图 5：电感耦合
可以考虑采取以下几项措施来减少电感耦合：

  1. 与电容耦合一样，不同信号的迹线不应采用并联设计，因为并联的带电导线彼此之间会感应出电流。
  2. 噪声电路中的大回路会产生大磁场，因此具有最高 di/dt 的最关键回路应采用尽可能小的设计。此外，高灵敏度回路也应尽可能小，因为回路越大，越容易受到干扰。
  3. 当回路（以及阻抗）较小时，迹线对频率的敏感度较低。
  4. 随着频率降低，电感耦合也会降低。设计时使用的频率应尽可能慢，必要时也要尽可能快。
  5. 还有一种屏蔽磁场的方法，即使用如坡莫合金和 µ 金属等非导电材料，这些材料在射频识别技术 (RFID) 和近场无线通讯技术 (NFC) 应用中使用。
  6. 可在控制器上使用铁氧体板来屏蔽磁场。

空气耦合

辐射发射测量是空气耦合的一种形式。如果测得的发射非常高，则受测设备 (EUT) 与天线之间的耦合程度就会很高。由于天线不能改动，所以只能通过屏蔽设备或降低设备产生的噪声水平来改变耦合。辐射发射有两种不同的测量类型。测量辐射发射时通常以 µV/m 为单位，普通的金属屏蔽即可；但若根据 CISPR 11 第 2 组设备进行测量，还需要测量磁场强度（以 µA/m 为单位）。

视受测设备的尺寸和电缆长度而定，辐射发射通常相当高，为波长的 λ/4。大多数情况下，当源位于电路板上时，电缆将起到天线的作用。发射以波长的 λ/10 左右开始。

屏蔽电缆或在布线前进行滤波可以降低辐射发射。无论如何，对每个输出和输入信号都应进行滤波。

在较低的频率下，辐射发射也会降低，从而使设备和天线的空气耦合降低。

6.保护元件

"保护电路是 AC/DC 转换器最重要的子系统之一。这些元件必须保护设备免受浪涌、突发和 ESD 的影响。 有以下几种可行的设备保护方法："

  1. 火花间隙，可以消散大部分额外的能量
  2. 气体放电管
  3. 压敏电阻
  4. 串联电阻
  5. MLV（多层压敏电阻）
  6. TVS
  7. 滤波器
为了保护振幅小很多的集成电路，大多数情况下都可以采用抑制二极管或齐纳二极管。

所有这些元件都是重要的考虑因素，因为每个设备都有各自的电压和能量范围，在此范围内，应使用这些元件中的部分元件，或将这些元件组合使用。对于电源而言，通常会使用两个甚至三个元件，因为能量脉冲会非常高。

如果一个元件可以转换更高的能量，则也能让非常高的电压通过；例如，火花间隙可以消除最高能量，但无法将电压降低到安全水平。气体放电管可以消除的能量虽然较少，但会将电压降至低于火花空气间隙。对于压敏电阻、二极管等也是如此。

形成的最佳布局如图 6 所示。电流首先通过能获取最高能量的器件...

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