一種電源EMC設(shè)計(jì)

陸旭

摘要：電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)是關(guān)系到設(shè)備自身和使用環(huán)境的一個(gè)重要指標(biāo)，隨著軍用設(shè)備的環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于電磁兼容的要求也逐漸提高，每一型產(chǎn)品都需要通過(guò)GJB151B的多項(xiàng)測(cè)試。本文通過(guò)對(duì)CE102這項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，提出一種電源EMC設(shè)計(jì)方法，從而設(shè)計(jì)出了一種良好的電源濾波器，提高了產(chǎn)品的電磁兼容性能。

關(guān)鍵詞：EMC;電磁兼容;CE102;濾波器

1 引言

電磁兼容Electromagnetic Compatibility（EMC），也叫電磁兼容性，一般包含兩部分。一是設(shè)備受同一環(huán)境下的其他設(shè)備的電磁干擾;二是設(shè)備干擾同一環(huán)境下的其他設(shè)備^?[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的體積越來(lái)越小，大量的集成電路設(shè)計(jì)在狹小的空間，這將使電路相互產(chǎn)生更加嚴(yán)重的電磁干擾^[2]。為了確保整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠地工作，電路設(shè)計(jì)中的電磁兼容設(shè)計(jì)越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注和重視，尤其是作為設(shè)備的“心臟”--電源設(shè)計(jì)。電源的電磁特性是進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)電源的電磁兼容性進(jìn)行定量分析和設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。對(duì)于電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102）測(cè)試項(xiàng)的指標(biāo)優(yōu)化，通常采用加裝合適的電源濾波器的方法。

2 電磁兼容試驗(yàn)

2.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102）試驗(yàn)

CE102測(cè)試項(xiàng)是GJB151B中重要的試驗(yàn)項(xiàng)目之一^[3]。軍工設(shè)備出現(xiàn)CE102超標(biāo)的情況相對(duì)GJB151B中的其他測(cè)試項(xiàng)目往往要更多一些。CE102測(cè)試的是頻率為10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射，這種頻率的干擾會(huì)降低電源的品質(zhì)，從而使產(chǎn)品上的電源不能滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。此種頻率的干擾通常是由于數(shù)字電路通過(guò)開(kāi)關(guān)電源傳遞到電源線上。CE102測(cè)試試驗(yàn)按圖1所示的方式連接測(cè)試設(shè)備與受試產(chǎn)品，按GJB151B-2013規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)使用原電源濾波器的產(chǎn)品進(jìn)行CE102試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，在10kHz～10MHz范圍內(nèi)，產(chǎn)品通過(guò)電源線對(duì)外輻射的信號(hào)在225kHz和300kHz處，超出指標(biāo)要求。

2.2 CE102測(cè)試項(xiàng)問(wèn)題分析

外部電源經(jīng)過(guò)產(chǎn)品電源接口接入，經(jīng)過(guò)電源濾波組件后成為產(chǎn)品的二次電源，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，二次電源1的DC/DC模塊（J）IMLF2-18S15-J的開(kāi)關(guān)頻率為250kHz±20kHz，二次電源2的DC/DC模塊（J）IMLF2-A2S24-J開(kāi)關(guān)頻率為320kHz±20kHz，對(duì)應(yīng)電源線對(duì)外輻射的信號(hào)在225kHz和300kHz處超出指標(biāo)。所以CE102超指標(biāo)頻率為產(chǎn)品二次電源DC/DC模塊開(kāi)關(guān)頻率。

3 電源EMC設(shè)計(jì)

3.1 電源濾波器設(shè)計(jì)

電源濾波器一般安裝在電源電路的輸入和輸出之間。電源濾波器可以濾除來(lái)自于外界的干擾，也能濾除來(lái)自產(chǎn)品內(nèi)部的騷擾^[4]。采用EMI濾波器能有效抑制傳導(dǎo)干擾，其主要作用是抑制開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲。本次設(shè)計(jì)的電源濾波器用來(lái)替換產(chǎn)品原有的電源濾波器，從而解決CE102測(cè)試項(xiàng)問(wèn)題。

在圖3所示A位置，使用示波器檢測(cè)電源信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在頻率200kHz～300kHz處，信號(hào)強(qiáng)度大約為-48dBV，B位置約為-28dBV。由于產(chǎn)品二次電源DC/DC模塊開(kāi)關(guān)頻率，使225kHz～300kHz處超出指標(biāo)要求，只要使B位置信號(hào)強(qiáng)度至少減弱25dBV，就可以解決CE102測(cè)試項(xiàng)出現(xiàn)的超標(biāo)問(wèn)題。具體解決思路是去掉圖3中兩個(gè)濾波器，設(shè)計(jì)一種EMI濾波器替換。

EMI濾波器放置于圖3所示A位置和B位置之間，由串聯(lián)電感器和并聯(lián)電容器組成低通濾波器。本設(shè)計(jì)主要考慮將頻率在150kHz～350kHz的傳導(dǎo)型電磁環(huán)境衰減至合理范圍內(nèi)，頻率在150kHz～350kHz的電磁干擾屬于射頻干擾，從形成特點(diǎn)分為差模干擾和共模干擾。電源設(shè)計(jì)中，首先設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)的電磁干擾濾波電路，如圖4所示，27V直流電經(jīng)過(guò)電磁干擾濾波電路后作為產(chǎn)品二次電源。

L1為共模扼流圈，當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈磁通方向相同，經(jīng)過(guò)耦合總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗^[5]。C2、C3 為共模抑制抑制電容，中間接地，主要用來(lái)濾除共模干擾;C1、C4 為差模抑制電容，可有效抑制差模干擾。為了方便計(jì)算濾波器的參數(shù)值，將濾波器設(shè)計(jì)成二階濾波器，本次設(shè)計(jì)EMI濾波器原理圖如圖5所示，直接按照EMI所需的衰減量和40dB/dec的衰減率計(jì)算出最低的轉(zhuǎn)角頻率^[6]。

設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)LC可以通過(guò)公式3.1計(jì)算得到，該方法容易造成EMI濾波器設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，后期需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果微調(diào)電感值。電容值已設(shè)計(jì)時(shí)確定，根據(jù)公式可計(jì)算出電感值。

（3.1）

其中，為EMI所需的衰減量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出電感值為15mH。使用示波器檢測(cè)B位置電源信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度大約為-68dBV，對(duì)比從前減弱了40dBV，完全滿足信號(hào)減弱要求。所以在產(chǎn)品二次電源供電線路上使用15mH的電感是解決CE102試驗(yàn)問(wèn)題的有效措施。

3.2 安裝EMI濾波器后的CE102試驗(yàn)

對(duì)使用新電源濾波器的產(chǎn)品進(jìn)行CE102試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，在10kHz～10MHz范圍內(nèi)，產(chǎn)品通過(guò)電源線對(duì)外輻射的信號(hào)都沒(méi)有超出指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果合格，CE102項(xiàng)目通過(guò)考核。

4 結(jié) 論

電磁兼容性試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品合格性的重要方法，將試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題反饋到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品性能。本產(chǎn)品的CE102問(wèn)題是由二次電源DC/DC模塊開(kāi)關(guān)頻率引起，試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用EMI濾波器成功解決了CE102問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 白同云.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].2版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.

[2] 何光平，朱浩冰，林敬長(zhǎng)，林振全. 30MHz～1000MHz輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)分析[J].電子質(zhì)量，2015.

[3] 中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部. GJB151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量[S]. 北京：中國(guó)人民解放軍總裝備部，2013.

[4] 蔡駿，王旭東.車(chē)載電子信息系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)方法[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2014.

[5] 李小亮，董雪峰.脈沖電容試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2016.

[6] 林榮鼎.通信系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)分析[J]. 移動(dòng)通信，2014.

（作者單位：貴州航天電子科技有限公司）