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。

(a)73mH線圈、加裝CR元件（測試結果：未通過）

(b)74mH線圈加裝CR元件（測試結果：通過）

圖1高次諧波測試波形

表1諧波電流數據（未通過）

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(30～84MHz)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。

圖2電源線路板一部分

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33.960MHz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35ns，后改用MUR2020CT，其trr為25ns）。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。