電源系統設計實驗分析

從廣義上講，EMC測試的具體項目包括以下兩個大項：

（1）EMI（Electro-Magnetic Interference）—電磁干擾測試

此測試之目的為：檢測電器產品所產生的電磁輻射對人體、公共電網以及其他正常工作之電器產品的影響。

（2）EMS（Electro-Magnetic Susceptibility）—電磁抗擾度測試

此測試之目的為：檢測電器產品能否在電磁環境中穩定工作，不受影響。

再劃分到小點，這兩個大項的具體項目以及各自項目對應的常用測試標準如下：

其中EMI包括：

（1）輻射騷擾測試（RE）—測試標準：EN55022

（2）傳導騷擾測試（CE）—測試標準：EN55022

（3）諧波電流測試（Harmonic）—測試標準：EN61000-3-2

（4）電壓變化與閃爍測試（Flicker）—測試標準：EN61000-3-3

EMS包括：

（1）靜電放電抗擾度測試（ESD）—測試標準：EN6100-4-2

（2）射頻電磁場輻射抗擾度（RS）—測試標準：EN61000-4-3

（3）射頻場感應的傳導騷擾抗擾度（CS）—測試標準：EN61000-4-6

（4）電快速瞬變脈沖群抗擾度測試（EFT）—測試標準：EN61000-4-4

（5）浪涌（沖擊）抗擾度（SURGE）—測試標準：EN61000-4-5

（6）電壓暫降，短時中斷和電壓變化抗擾度測試（DIP）—測試標準：EN61000-4-11

（7）工頻磁場抗擾度測試（PFMF）—測試標準：EN61000-4-8

在電路板上電后，若作為頻率器件的晶振周邊存在較強雜散電磁信號時，會直接導致晶振輸出頻率受到干擾，引發頻率偏移，嚴重時影響電路板正常工作。因此晶振本身具備抗電磁干擾能力也是晶振品質的一個重要特性。另外，在電路板布線時需要注意：

1、晶振盡量靠近芯片，走線短且直。

2、晶振引出的兩根時鐘信號線也要短，防止形成發射天線。

3、盡量設計晶振位于遠離電磁波干擾區域，如遠離電源，天線等器件。

4、晶振下方不要走線，走線過程不能隔斷，不要過孔換層。

5、屏蔽晶振，金屬外殼檢查接地。

電源系統ＥＭＣ優化實驗簡介

電源系統ＥＭＣ優化實驗系統如下圖３．１１所示。其中①處為供電電源，實驗中分別采用線性電源和開關電源為單片機芯片和１０Ｍ有源晶振進行供電。②處為有源晶振，其外觀如下圖３．１２（ａ）所示，引腳圖如下圖３．１２（ｂ）所示。③處是８０Ｃ５２單片機，也是本實驗中的核也器件。④處是單片機驅動的芯片或器件。本實驗中為了便于觀察現象，選擇單片機的負載為走段數碼管。實驗將分析在為采取任何措施時，該系統的抗干擾能力和輻射射發射水平及在加入電源系統ＥＭＣ優化措施后的改善情況。

電源系統抗干擾優化實驗

對于線性電源系統，當電源入口端Ｗ及ＰＣＢ上電源系統未針對浪涌、ＥＦＴ及電壓跌落做任何措施時，在進行浪涌差模±２０００V，共模±１０００V浪涌測試時，數碼管無法正常顯示，單片機失效。當進行ＥＦＴ的±２０００Ｆ測試時，數碼管閃爍現象嚴重，但單片機未失靈。最后在進行電壓跌落試驗時同樣也會出現數碼管短時熄滅現象。

對于開關電源系統，當電源入口端上電源系統未針對浪涌、ＥＦＴ電壓跌落做任何措施時，在進行浪涌差模±２０００V，共模±１０００V浪涌測試時，數碼管顯示閃爍，但單片機未失效。當進行ＥＦＴ的±２０００V測試時，數碼管也存在閃爍現象，單片機未失靈。而在進行電壓跌落試驗時未出現閃爍現象。

根據上述實驗現象可總結出：在針對未進行ＥＭＣ優化設計的電源系統進行抗擾度試驗時，線性電源系統的抗擾度比開關電源能為差。特別是在電壓跌落抗擾度上，開關電源對電源電壓的變化不敏感，而在使用線性電源時會導致數碼管顯示忽明忽滅。

但是對于浪涌和ＥＦＴ抗擾度，開關電源和線性電源系統，在未進行ＥＭＣ優化設計時都會導致電路無法正常工作。針對Ｗ上抗擾度測試結果，分別對線性電源和開關電源系統進行抗擾度ＥＭＣ優化設計后再觀察測試結果。由于實驗系統結構比較簡單，器件相對較少，因而針對抗擾度設計要求不高。

故在整改時主要在電源線上安裝電源線ＥＭＩ濾波器和壓敏電阻并且在單片機、驅動芯片和數碼管電源端并０．１UＦ的去藕電容。另外針對線性電源電壓跌落抗擾度不滿足要求的情況，主要應對措施是在單片機和驅動芯片管腳電源管腳對參考地加并的4.7UF鉭電解電容及在數碼管電源管腳對參考地加并１０UＦ的鉭電解電容做儲能電容使用即有較好的抑制效果。

電源系統輻射發射優化實驗

首先實驗在未針對芯片的電源管腳做任何處理時，用示波器測量了單片機的電源管腳的時域波形圖如下圖３．１３所示。圖中波形的有效值達到１．４Ｖ，邊緣毛刺的峰值達到１．８Ｖ且波形頻率同晶振頻率，故該電源系統中存在較為嚴重的高頻紋波。這種高頻紋波會借助電源線的天線效應對外產生嚴重的輻射ＥＭＩ噪聲。

在對于單片機系統ＲＥ的整改措施主要有如下幾點：

其一是在電源線上加磁環并將濾波器金屬外殼和開關電源的金屬外殼用最短的導線相連并接地。

其二是在單片機、驅動芯片及數碼管電源端增加０．１uＦ去藕電容和１uf的貼片型鉭電容。

最后將有源晶振底部設計大面積參考地并將晶振金屬外殼用銅泡與參考地相連。

根據輻射發射的測試結果，在未進行整改時天線垂直和水平極化的測試結果分別如下圖可看出在１０Ｍ的倍頻上有多個單頻點超過標準的限值。而經過整改后測試頻譜如下圖所示，通過對比發現各個頻點整體輻射都有了５-１０ｄＢuＶ／ｍ的下降，故證明電源系統的ＥＭＣ設計將有助于設備輻射發射的改善。本實驗電路最終要通過福射發射測試還需要對芯片信號輸出引腳進行濾波處理，但本文主要針對電源系統設計對福射發射的影響的研究，故對信號濾波部分不作贅述。

案例一：高頻電刀整改

某款高頻電刀如下圖４．１所示，電刀外殼主要由金屬材質構成，兩側和前面板周圍為塑料材質。前面板主要為液晶觸控板和功率輸出端口，后背板主要有控制線纜、RＳ２３２通信線纜及電源線和風扇口等。內部結構圖在整改前如下圖４．１（ｂ）所示，主要由電源模塊、高頻電流發射模塊、主控制板模塊和觸控顯示屏等構成。

高頻電刀整改過程

輻射超標整改的關鍵在于定位到主要的噪聲源，然后有針對性地進行處理。

1、輻射源定位：

定位思想：分開各個模塊定位，分高低頻。

由于該設備中系統各個功能模塊間是單獨供電的，故在輻射源定位時可將每個模塊分別供電觀察ＲＥ測試結果，進而能預判各個頻段的輻射主要是由哪個模塊引起的。分析中我們發現，當將顯示板電源斷開后高頻噪聲幾乎消失，則可判斷富頻處輻射超標主要是由液晶顯示器引起。此外還發現當斷開主控制ＰＣＢ斷開電源后，低頻段的寬帶噪聲也有下降，故可判斷低頻段的寬帶噪聲主要是由主控制板引起。

2、重點定位：

RE測試分天線、水平進行測試

由于該款電刀在ＲＥ測試過程中天線垂直極化方向超標較嚴重，故先以天線垂直極化時整改為重點，這樣有助于節省整改中的測試時間提高整改的效率。此外，整改中的每個措施都需要進行前后的頻譜對比，再決定該措施是否保留。同樣在完成產品ＲＥ整改后可將一些磁環去除并觀察效果，如何去除后并無明顯影響，則可去除從而降低成本。

整改中首先是針對產品的電源系統入口端Ｗ及外部線纜進行處理，主要措施如下圖所示。分別在電源線和控制線纜上加磁環（磁導率u＝８５０）并和初始結果進行對比發現有較好的抑制效果，故保留該措施。接著還發現設備電源線ＥＭＩ濾波器的接地線較長且與機殼間搭接不良，搭接阻抗較高，故將接地線剪短到合適的長度并且將濾波器的外殼和金屬后板使用導電襯墊進行良好搭接后再進行測試，測試結果如下

接著對設備內部電源系統進行分析，分析發現主控ＰＣＢ板的供電線路是從射頻板引出的且還有數根信號采集線一同引出。考慮到排線上可能藕合進ＥＭＩ噪聲，故需要對其處理。主要處理措施如下圖所示。首先在金屬屏蔽箱體內部，在排線上夾套鐵氧體磁環（磁導率＝８５０），接著用銅箱將排線引出的機箱的周圍的縫隙密封，保證金屬機箱導電完整性。處理后輻射發射測試結果如下圖所示，頻譜的低頻段寬帶噪聲有較明顯下降

主控ＰＣＢ板上ＤＣ／ＤＣ模塊將１８Ｖ輸入后轉變成５Ｖ和±１２Ｖ三種直流輸出電壓。其中５Ｖ電壓是給主控制板上的各忘片進行供電，＋１２Ｖ是給液晶屏供電，而－１２Ｖ處于空置。由上述分析低頻段輻射發射超標嚴重與主控制板關系密切，故判斷可能是DＣ／ＤＣ模塊濾波電路設計不夠完善引起。故在ＤＣ／ＤＣ入口端加并上Ｃ1（０．１UＦ）陶瓷電容進行去藕處理并且將空置端－１２Ｖ通過Ｃ２（０．０１uＦ）陶瓷電容接參考地。鑒于主控制板上有大量高速集成粒片，因而５Ｖ輸出加并C3(10UF)的鉭電容及Ｃ４（０．０４７uf）的陶瓷電容。測試結果如下圖４．６（ｂ）所示，測試頻譜的低頻段和高頻段都有所下降。

接著重點針對液晶顯示器電源進行處理。首先在ＤＣ／ＤＣ的＋１２Ｖ輸出的直流電輸出端也并上Ｃ４（0.04uＦ），并且在靠近液晶屏的電源口處并上Ｃ6（２２uＦ）的鉭電容和Ｃ７（２２ｎＦ和C8（1nF）的陶瓷電容，用于濾除高頻福射發射。此外，液晶屏的電源、信號線也可能充當福射發射的等效天線且信號線和電源線之間可能發生串擾現象。

故在整改時處理措施如下圖４．７（ａ），將電源線和信號線分開并分別在液晶屏的出線端加磁環處理（磁導率＝８５０），測試結果如４．７腳所示。根據測試頻譜，箱射ＥＭＩ噪聲整體都得到有效地抑制，但是低頻段和高頻段還有部分點處于臨界狀態，需進一步分析處理

分析液晶屏及其周圍的機箱結構發現，射頻板外部的金屬屏蔽體底部留出了很長的縫隙，屬于金屬屏蔽體搭接不當。在這種情況下，液晶屏及其傳輸線上的福射ＥＭＩ噪聲很可能通過該縫隙形成的等效天線對外產生進一步的福射發射。因此，可將液晶屏背面安裝一塊金屬面板如下圖所示，用于將液晶屏的福射ＥＭＩ噪聲通過接地地金屬板反射或感應產生電流引入地線。經過測試，該款電刀最終通過ＲＥ測試，測試頻譜如下圖所示。同時福射在天線水平極化方向上也通過。

有關ＥＭＣ設計

（１）對于使巧液晶顯示器的醫療電子產品，由于顯示屏部分常常是潛在的福射源，所以在對其供電、信號走線化及周圍結構設計時要特別注意。供電線路要盡量短且應將信號線和電源線、分隔開防止線瓣線纜之間發生串擾，并且宜在液晶屏背面加接地金屬平面，有助于降低轄射ＥＭＩ噪聲。

（２）產品在設計屏蔽機箱時，要盡量保證機箱屏蔽體的導電完整性，避免有細長的縫隙。此外還要盡量避免從屏蔽機箱中引出線纜，如果有引出的電源線或者信號線要進行必要的濾波處理，否則很容易在線纜上稱合高頻噪聲，引起福射ＥＭＩ問題。

（３）對于ＰＣＢ上使用的ＤＣ／ＤＣ模塊要做好濾波處理，利用電容和電感構成的ＬＣ濾波器將ＤＣ／ＤＣ產生的高頻噪聲反射回噪聲源或將噪聲轉化成熱能散發。如果電源芯片有不使用的輸出管腳不應將其空置，最好通過合適參數的電容接到ＧＮＤ端。

某款醫療蠕動泵整改

設備簡介及初始測試結果該款蠕動累的外觀如下圖４．９所示，其前后面板為金屬表面做噴漆處理，上蓋板為塑料材質。正面中心、部分為步進電機凸出部分，用于帶動液體蠕動。而背板主要有電源線和民Ｓ２３２通信接口等。累的內部如下圖４．１０所示，主要有開關電源、步進電機驅動板及通信和顯示控制板。蠕動累的基本工作原理是通過ＲＳ２３２接曰接收外部控制信號來控制步進電機轉動帶動輸液管道中的液體流動。

下圖分別是天線在垂直和水平極化時的ＲＥ初始測試結果。從測試頻譜中可看出，該產品兩個極化方向上在４０Ｍ-１００Ｍ間都存在寬帶福射ＥＭＩ噪聲超出標準規定的限值，并且垂直極化時福射發射超出限制最高達到１５ｄBuV/m

觀察ＲＥ測試頻譜發現低頻段天線垂直極化時較水平極化更嚴重，故優先處理天線垂直極化時的情況。根據經驗低頻端超標常與電源系統設計不合理有密切的關系，可能是由于開關電源自身的噪聲通過電源線對外產生福射ＥＭＩ噪聲。通過在電源線卡鐵氧體磁環（磁導率＝１０００）并將開關電源的地柱如下圖所示與電源線濾波器的接地柱上的絕緣漆用挫刀打磨掉后，ＲＥ測試結果如下圖

接在在通信線入口卡上鐵氧體磁環（磁導率＝１０００）并和將ＲＳ２３２接曰使用導電襯墊進斤良好的接地處理后，ＲＥ測試結果如下圖４．１３肋所示有了進一步改善。

在經過上述外部線纜處理后，發現低頻段寬帶噪聲還是偏高，判斷噪聲可能來自開關電源的開關管。如下圖所示就是常規開關電源的開關管，其Ｇ極接受來自ＰＷＭ控制電路發出的脈寬調制信號。如Ｓ極接地不良，調制信號容易通過開關管的寄生電容進入Ｓ極中并在接地阻抗上產生壓降，從而形成共模發射的福射噪聲源，導致設備的福射發射超標。

因而針對開關管進行了處理，具體措施如下圖在開關管的Ｓ極和Ｇ極間并上一個高壓電容瓷片Ｃｌ（０．０２２uＦ）。最終產品的ＲＥ測試結果如下圖滿足了標準的限值要求。同時天線水平極化下也滿足。

該款醫巧蠕動累的金屬外殼做了噴緣處理，因此在接地時要格外注意接地處是否也做了噴瀑處理。此外累福射ＥＭＩ噪聲主要是低頻段寬帶噪聲，故要注重開關電源的處理。

（１）當設備的機殼噴涂絕緣煉時，在進行金屬機殼接地、開關電源接地Ｗ及一些接口外殼接地時要注意將搭接處的絕緣漆用挫刀打磨干凈并通過金屬墊片或導電襯墊材稱進行搭接，最后還要用萬用表電阻檔測量搭接電阻。

（２）當設備內使用電化時宜在電動機電源處并一定容量的電解電容，為電動機提供局部電源從而減小電源線上的脈動電流。

（３）ＲＥ測試時如果發現頻譜低頻段有較高的寬帶噪聲，根據經驗可判斷可能是開關電源模塊引起的共模輻射ＥＭＩ噪聲。具體處理措施有改善開關電源接地、對電源模塊輸入輸出進行濾波處理或者對開關管進行處理等

某款骨治療儀整改

設備簡介及初始測試結果

某款骨傷治巧儀如下圖所示，其整體為塑料材質，控制面板上主要有控制按鍵和顯示數碼管等。產品的工作原理是通過按鍵設定工作強度和時間，使得產品內部控制電路控制繼電器的通斷使得電磁鐵如圖所示一定頻率震動從而緩解患者胥骼疼痛而達到康復治療的目的。產品的背板主要有電源線和保險絲等。

該治療儀內部結構如下圖４．１７所示，產品使用線性電源作為供電系統，其變壓器將２２０Ｖ交流電轉換成１８Ｖ和９Ｖ的交流電，接著由ＰＣＢ上的整流和穩壓模塊將交流電轉換成１５Ｖ直流電給電磁鐵供電和５Ｖ直流電給ＰＣＢ上的各個蒼片供電。由于ＰＣＢ電路板中含有繼電器和較多的控制芯片并且在設計時沒有考慮ＥＭＣ問題，從而導致其ＲＥ測試未能通過。

再分析測試頻譜上窄帶噪聲，發現兩個超頻頻點與ＰＣＢ控制板中的晶振存在倍頻的關系，所Ｗ要針對控制板的晶振和單片機芯片進行整改處理。如圖４．１７主控制板上的四個單片機芯片可能就是窄帶噪聲產生的噪聲源，其主要產生的原因有3個。

其一是單片機晶振與起振電容不匹配，導致晶振輸出波形失真產生噪聲。

其二是單片機芯片供電電源的去藕電路設計不當。在本產品只用一個的瓷片電容并不能滿足電源去錯的要求從而導致電源線上產生紋波噪聲。

最后是單片機芯片某管腳走線過長并缺少必要的濾波電路導致福射發射超標。綜上分析對毎個單片機做如下處理。首先更換晶振的起振電容，將原來１５ｐＦ瓷片電容Ｃｌ和Ｃ２換成２２pＦ的０６０３貼片電容（所以說晶振電容的值可以根據emi調整），

接著在單片機芯片并粗電容Ｃ３（２．２uＦ）和陶瓷電容Ｃ４（０．０１uＦ）。整改后測試頻譜圖如下４．２０（ｂ）所示，最終通過測試。

設計建議

該款產品在設計中存在很多不足之處，就ＥＭＣ角度分析電源系統的設計可Ｗ看出，在沒有電源線ＥＭＩ濾波器情況下，將電源的整流和濾波電路設計在ＰＣＢ板上與電源入口端相距最遠的角落，這段過長電源線容易鍋合高頻噪聲并通過電源線對外產生福射ＥＭＩ噪聲。此外還未針對繼電器控制電路做好有效處理。

（１）當處理器芯片使用晶振電路提供時鐘信號時，若根據測試頻譜結果，發現有晶振倍頻的窄帶噪聲，則可用示波器觀察晶振電路的輸出波形是否失真，并根據實際情況調整起振電容的容值。

（２）線性電源或開關電源系統中的輸出電源線要盡量通過最短的距離連接到ＰＣＢ，距離過長的電源線易藕合電磁噪聲并且也會成為福射發射的寄生天線。

（３）當設備中使用繼電器時要注意設計保護電路和濾波電路，保證其自身正常工作并防止其產生的干擾進入電源系統后影響其他器件的正常工作。

某款自動氣壓止血帶整改

設備間介及初始測試結果

本例中介紹某款自動氣壓止血帶福射整改。下圖為該產品的外部結構，其外殼是塑料材質，前面板表面主要由按鍵、濕示數碼管和氣體輸出管道等組成，并且在前面板后是一塊金屬板用于固定面板上的各個器件。產品的背面主要有單相兩線制的電源線接口和保險絲等，產品在使用時固定在一根金屬支架上。

氣壓止血帶整改

首先是針對產品的電源入曰端處理。下圖４．２３腳是產品電源系統入口在整改前的結構示意圖。分析該產品工作時是固定在一個支架上工作的，且我們發現這個金屬支架和開關電源外殼、濾波器外殼Ｗ及電動機的外殼等都用金屬螺絲固定在同一個金屬板上。

由此懷疑金屬支架可能間接充當了轄射發射的等效天線，故要對其進行處理。主要的整改措施是將支架金屬部分與內部金屬板進行絕緣化處理，避免兩者之間有金屬連接。具體做法是將用于固定的螺絲部分包裹絕緣膠布并將金屬墊片換成塑料墊片，最后用萬用表測試兩者間己經不存在電氣連接。

接著再分析電源系統入曰端結構圖４．２３（ａ）可看出電源ＥＭＩ濾波器與電源進線端口相距較遠且其輸入、輸出端口相距較近，送樣容易發生福射近場耦合從而嚴重影響濾波器的效果。另外圖４．２３（ｂ）是產品電源端內部實物圖，可看出內部線纜布局比較雜亂且長度過長，這可能間接地將線纜作為福射發射的等效天線而旦線纜之間的串擾也會比較嚴重。

此外電動機、開關電源、蓄電池和ＥＭＩ濾波器的金屬外殼同時接在同一個金屬板上，由于當系統采用單相兩線制沒有地線，這時將各個模塊接到同一個參考點可能相互間造成更嚴重的干擾。針對以上設計中的不足之處，對產品做如下整改。首先長線纜剪短到合適的長度，接著將電源線ＥＭＩ濾波器放置電源線進線端并將輸入、輸出線之間隔開。最后將與金屬板搭接處均使用絕緣墊片，處理后的效果如圖所示。

設計建議

在ＥＭＣ設計時優先處理結構，保證設備的基本結構不會引入ＥＭＣ問題。接著再在考慮使用一些器件和濾波電路等，這樣能夠盡量降低產品的生產成本。本例中在設備電源系統設計是要注意結構設計上的合理性。

（１）電源線ＥＭＩ濾波器在安裝時要盡量靠在電源線的進行端口，且一定要避免

輸入輸出線前后的距離，避免從空間產生福射的縄合，影響濾波器的濾波效果。且當設備是單相兩線制時要考慮濾波器的外殼能否與開關電源外殼等之間金屬連接，但是一般效果不好，且容易相互之間產生干猶。

（２）要盡量將避免長直金屬或帶有較大孔縫的金屬面板同ＰＣＢ的參考地或電源

地之間存在金屬搭接。如有類似搭接時，我們要考慮如何將其進巧絕緣處理或使用導電襯墊將孔和縫隙封閉住。

（３）當設備有金屬支架時一定要防止支架在無意中被充當福射發射的等效天線，故要盡量避免其與內部電路存在任何的金屬連接。

（４）對于晶振一類的干擾源，最好在其周圍大面積敷銅并保證良好接地，且更應該避免有信號線纜從晶振周圍穿過。

審核編輯：劉清