新穎的時(shí)頻對照法解決EMI問題

黃敏超

（敏業(yè)信息科技（上海）有限公司，上海200135）

新穎的時(shí)頻對照法解決EMI問題

黃敏超

（敏業(yè)信息科技（上海）有限公司，上海200135）

在產(chǎn)品開發(fā)的EMI測試和整改過程中，經(jīng)常會遇到很多問題很難用常見的電磁干擾理論進(jìn)行解釋和解決，由此提出一種新穎的時(shí)頻對照法來解釋并解決這些EMI問題。時(shí)頻對照法借助近場探頭和頻譜分析儀，確認(rèn)產(chǎn)品中隱藏的電磁場分布，準(zhǔn)確定位噪聲源位置和其傳播途徑。結(jié)合實(shí)際案例，通過抑制噪聲源本身強(qiáng)度來解決EMI問題。

時(shí)頻對照法；電磁兼容；EMI；近場探頭

引言

目前，業(yè)界分析和解決電磁干擾EMI（electro magnetic interference）問題，主要有兩種電磁干擾理論，可以簡稱為“路”和“場”的方式［1，2］?！奥贰钡姆绞綄⒃肼曉捶殖刹钅Ｔ肼暫凸材Ｔ肼?，通常主要用于傳導(dǎo)干擾問題的分析和處理；“場”的方式，將電磁噪聲源分為di/dt和dv/dt，根據(jù)噪聲源的波長λ/ 2π，將電磁干擾的問題分成近場和遠(yuǎn)場進(jìn)行分析和解決，多用于輻射干擾問題的分析和處理。

然而采用“路”的方式設(shè)計(jì)和解決傳導(dǎo)EMI問題時(shí)很難回答以下2個(gè)問題：①常見的火線L和零線N的傳導(dǎo)干擾為何不對稱？②EMI濾波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)“寄生電容”的位置在哪里，容量是多少？同樣采用“場”的方式設(shè)計(jì)和解決輻射EMI問題時(shí)也會遇到2個(gè)問題：①為何垂直方向的輻射干擾強(qiáng)度和水平方向的輻射干擾強(qiáng)度不一樣？②傳播路徑為何不像電磁波那樣的直線傳播？而且采用上述兩種方式處理EMI問題時(shí)，并沒有從電磁兼容三要素［1］出發(fā)，確認(rèn)噪聲源的準(zhǔn)確位置和找出其傳播路徑，再采取針對性的解決措施。替而代之，多數(shù)工程師更傾向于依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，采取多級的共模濾波器、差模濾波器、各種屏蔽和反復(fù)更改布線來解決EMI問題，而采取不斷的增加共模濾波的級數(shù)來解決傳導(dǎo)EMI問題，這樣的EMI整改實(shí)踐有點(diǎn)像“盲人摸象”，不同的工程師會有各自不同的判斷和解決方法，而且這樣獲得的經(jīng)驗(yàn)就很難直接復(fù)制到別的新產(chǎn)品中。因此，EMI問題一直是業(yè)界新產(chǎn)品開發(fā)中最頭疼的問題，而且整改的進(jìn)度無法控制，少則2～3周，多則2～3個(gè)月，甚至6個(gè)月以上。而且產(chǎn)品的EMI測試結(jié)果當(dāng)滿足EMI法規(guī)要求后，依然不清楚噪聲源的準(zhǔn)確位置和傳播路徑，從而無法對產(chǎn)品中的EMI措施進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，達(dá)到最低成本和體積最小化的目的；還不能保證大批量生產(chǎn)時(shí)的EMI性能的穩(wěn)定性，出現(xiàn)大批量生產(chǎn)時(shí)EMI抽查超標(biāo)，以及客戶質(zhì)量投訴。

針對上述問題，本文提出一種新穎的時(shí)頻對照法來分析和解決EMI問題，借助近場探頭和頻譜分析儀，準(zhǔn)確定位噪聲源位置和其傳播途徑，提出針對性的解決方案。結(jié)合實(shí)際案例，介紹如何定位噪聲源位置及其傳播途徑，闡述如何通過抑制噪聲源強(qiáng)度采取針對性的解決措施來解決EMI問題。

1　新穎的時(shí)頻對照法

時(shí)頻對照法是基于電磁兼容三要素中的噪聲源、傳播途徑和敏感設(shè)備，借助近場探頭和頻譜分析儀，在頻域下確認(rèn)特定頻段噪聲源的準(zhǔn)確位置及其傳播途徑；當(dāng)明確噪聲源的位置后，可利用示波器、電壓探頭和電流探頭，在時(shí)域下確認(rèn)噪聲源的具體dv/dt的電壓波形或di/dt的電流波形，找到與特定頻率相關(guān)的因素；根據(jù)產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)，可以選擇2種方式解決EMI問題，一種通過抑制噪聲源本身強(qiáng)度解決EMI問題，另一種在噪聲的傳播途徑中采取EMI整改措施解決產(chǎn)品的EMI問題。

抑制噪聲源本身強(qiáng)度是一種EMI解決措施中屬于治本的方法，通過抑制噪聲源強(qiáng)度，可以大幅減輕EMI濾波器，甚至可以省掉一些體積龐大的共模濾波器，減小體積，降低成本。因此在各種EMI解決措施中可優(yōu)先考慮。

當(dāng)噪聲源強(qiáng)度屬于電路基本工作原理而無法改變時(shí)，就必須從噪聲源的傳播途徑中采取EMI整改措施來解決產(chǎn)品EMI問題，比如改變電路布局、電路布線、改變EMI濾波器參數(shù)［5，6］等，使得噪聲源通過EMI濾波器，避免通過其他路徑產(chǎn)生對外界環(huán)境的干擾。

2　近場探頭及頻譜分析儀使用方法

近場探頭和頻譜分析儀是時(shí)頻對照法中定位噪聲源位置和其傳播途徑的關(guān)鍵工具［3-5］。近場探頭有不同的外形，其外形和配件如圖1所示。近場探頭探測電磁場的范圍大小也不同，可以從20 mm～2 mm的精度。因此，可以定位噪聲源的位置精細(xì)到器件的引腳。

圖1　近場探頭組Fig.1 Near filed probe set

頻譜分析儀的使用方法不同于示波器。頻譜分析儀在掃描信號強(qiáng)度時(shí)，需要關(guān)注一個(gè)重要參數(shù)：頻率步長。在其用于EMI的噪聲強(qiáng)度評測時(shí)，頻率步長為9 kHz。當(dāng)掃描噪聲強(qiáng)度時(shí)，每屏掃描同樣位置上的某個(gè)特定頻率點(diǎn)噪聲強(qiáng)度都會不同，其測試背景示意如圖2所示。這樣當(dāng)采取不同整改措施時(shí)，就很難對特定頻段的噪聲強(qiáng)度進(jìn)行比對。

圖2　特定頻段的磁場強(qiáng)度測試示意Fig.2 Magnetic field test picture at specified frequency range

因此，使用頻譜分析儀確認(rèn)噪聲強(qiáng)度的方法，不是采用示波器的觸發(fā)同步方法，而是采用最大值保持功能進(jìn)行反復(fù)刷新，采樣最大的噪聲強(qiáng)度，其測試背景示意如圖3所示。

頻譜儀的最大值保持功能可以很方便地評估整改措施前后對電路板上電磁場分布的影響，圖4為LED驅(qū)動器控制芯片的供電端Vcc對地并聯(lián)0.1 μF旁路退耦電容前后磁場差異的測試現(xiàn)場示意。

圖3　最大值保持模式的噪聲強(qiáng)度測試示意Fig.3 Noise strength test picture at max hold mode

圖4　并聯(lián)0.1 μF旁路電容前后對比示意Fig.4 Comparison test picture before and after paralleled with 0.1 μF bypass capacitor

3　實(shí)際案例

本文實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量基于寧波遠(yuǎn)東照明有限公司的實(shí)驗(yàn)測試平臺進(jìn)行。圖5為58 W電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)照片，其電路原理和印刷線路板PCB如圖6和圖7所示。它的零線傳導(dǎo)干擾在300 kHz到600 kHz超過EN55015中Class B的限制要求，但火線傳導(dǎo)干擾符合Class B的限制要求，屬于不對稱傳導(dǎo)干擾，如圖8所示。

圖5　58 W電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)Fig.5 58 W e-ballast prototype

圖6　58W電子鎮(zhèn)流器電路原理Fig.6 Schematic of 58 W e-ballast

為準(zhǔn)確定位300～600 kHz噪聲源的位置，利用近場探頭和頻譜儀對多處關(guān)鍵電路板測試點(diǎn)進(jìn)行場強(qiáng)測試，測試結(jié)果如圖9所示。圖（a）為PCB上的場強(qiáng)測試點(diǎn)分布，圖中，圈圓為測試點(diǎn)；測試點(diǎn)1為共模電感連接火線的引腳，其最大磁場為66 dBμV，如圖9（b）所示；測試點(diǎn)2為諧振半橋的中點(diǎn)，其最大磁場強(qiáng)為57 dBμV，如圖9（c）所示；測試點(diǎn)3為連接熒光燈陰極的引腳，其最大磁場為50 dBμV，如圖9（d）所示；測試點(diǎn)4為無源PFC的二極管D9和D10的連接點(diǎn)，其最大磁場為72 dBμV，如圖9（e）、（f）所示。通過比較各測試點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4的磁場強(qiáng)度超過點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3的場強(qiáng)，甚至超過晶體管諧振半橋橋臂的中點(diǎn)場強(qiáng)。因此可以判斷點(diǎn)4，即無源PFC電路中二極管D9和D10的連接點(diǎn)為噪聲源。

圖7　58 W電子鎮(zhèn)流器PCB圖Fig.7 PCB layout of 58 W e-ballast

圖8　58 W電子鎮(zhèn)流器傳導(dǎo)干擾Fig.8 CE of 58 W e-ballast

進(jìn)一步根據(jù)各測試點(diǎn)的場強(qiáng)，得出噪聲源的傳播途徑，如圖10所示。從圖中噪聲的傳播路徑來看，可以解釋為何零線的傳導(dǎo)干擾比火線要厲害。

為找到解決方案，需要進(jìn)一步確認(rèn)噪聲源的時(shí)域特性，是由di/dt還是由dv/dt引起的？用電流探頭測試流經(jīng)二極管D9和D10電流；測試電咱如圖11（a）所示，波形如圖11（b）所示，從圖（b）中二極管D9和D10電流波形中可以看出，雖然電流波形頻率為50 Hz，但在二極管導(dǎo)通時(shí)，有很快的電流上升率di/dt。噪聲源就是這個(gè)電流上升率di/dt引起的，而且噪聲源的強(qiáng)度與電流波形的上升率直接相關(guān)。如果可以改變二極管的電流上升率，就可以降低噪聲源的干擾強(qiáng)度，解決產(chǎn)品的傳導(dǎo)EMI問題。

嘗試在二極管D9和D10上串聯(lián)電阻，如圖12所示，以改變流進(jìn)二極管的電流上升率。當(dāng)在二極管D9和D10上串聯(lián)39 Ω的電阻后，流進(jìn)二極管D9的電流波形就從陡峭的電流跳變而改變成光滑的電流波形，如圖13所示。進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的傳導(dǎo)干擾，串聯(lián)電阻后場強(qiáng)直接降低了接近10 dB，可以滿足EN55015傳導(dǎo)干擾的要求，如圖14所示。由于串入39 Ω電阻將導(dǎo)致將近0.2 W的額外損耗，考慮到產(chǎn)品無多余的空間用來采取差模和共模的噪聲抑制措施，而且這些措施也會帶來損耗和體積的增加，因此串入39 Ω電阻是一種性價(jià)比較好的解決措施。

圖9　噪聲源的準(zhǔn)確位置測試結(jié)果Fig.9 Exact location test results of noise resources

圖10　噪聲源的傳播途徑Fig.10 Transfer path of noise resource

圖11　測試D9和D10的電流電路和波形Fig.11 Test circuit and current waveform through D9and D10

圖12　D9/D10串聯(lián)電阻后的電路Fig.12 Circuit of resistors series to D9and D10

這驗(yàn)證了時(shí)頻對照法可以很快速且有效地確認(rèn)噪聲源準(zhǔn)確位置及其傳播途徑。通過確認(rèn)噪聲源時(shí)域下的對應(yīng)特性，可以很快地找到正對性的EMI解決方法。

圖13　二極管D9的電流波形變化Fig.13 Current waveform changing through D9

圖14　串聯(lián)電阻前后零線傳導(dǎo)干擾的變化Fig.14 Netural CE change befor and after resistors in series

4　結(jié)語

基于電磁兼容三要素，時(shí)頻對照法通過近場探頭和頻譜分析儀確認(rèn)產(chǎn)品中電磁場分布，確認(rèn)噪聲源的準(zhǔn)確位置及其傳播途徑，依據(jù)噪聲源的頻域和時(shí)域特性，可以很便捷地找到EMI的解決方法。

通過58 W電子鎮(zhèn)流器中的電磁場分布和噪聲源的傳播途徑探測，發(fā)現(xiàn)有新的問題有待解釋和研究：

（1）為何噪聲源的傳播途徑只往輸入側(cè)傳播，而不往別的方向傳播？

（2）噪聲源傳播方向和路徑與哪些因素相關(guān)？傳播路徑是否與功率器件的開關(guān)波形的各次諧波的頻率相關(guān)？

（3）噪聲源的傳播方向和路徑是否可以預(yù)測？

［1］Paul Clayton R.Introduction to Electromagnetic Compatibility［M］.Kentucky，USA：John Wiley&Sons Inc.，2006.

［2］黃敏超.LED燈具的電磁兼容設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

［3］安捷倫科技.如何選擇和使用近場探頭進(jìn)行電磁干擾分析（2012）［EB］.http：//literature.cdn.keysight.com/litweb/ pdf/5991-0144CHCN.pdf.

［4］Newell C.Planar near-field measurement.Nat.Bur.Stand［Z］.1985.

［5］Lee J J，F(xiàn)erren E M，Woollen D P，et al.Near-field probe used as a diagnostic tool to locate defective elements in an array antenna［J］.IEEE Trans.Antennas Propagate，1988，36（6）：884-889.

［6］白新民，馮江濤，陳為.共模電磁干擾的無源補(bǔ)償新方案［J］.電源學(xué)報(bào)，2003，1（2）：395-398。Bai Xinmin，F(xiàn)eng Jiangtao，Chen Wei.A new passive common mode EMI cancellation scheme［J］.Journal of Power Supply，2003，1（2）：395-398（in Chinese）.

［7］馮江濤，楊志輝，管峻峰，等.變壓器屏蔽對開關(guān)電源電磁干擾（EMI）影響的分析［J］.電源學(xué)報(bào)，2002，1（2）：115-118 Feng Jiangtao，Yang Zhihui，Guan Junfeng，et al.Analysis of transformer shielding on SMPS EMI noise［J］.Journal of Power Supply，2002，1（2）：115-118（in Chinese）.

Novel Time-frequency Cross Methods to Resolve EMI Issues

HUANG Minchao
（Relab Tech Co.，Ltd.，Shanghai 200135，China）

During resolving the product electromagnetic interference（EMI）issues，it is difficult for the general EMI theory to explain the root cause of some EMI phenomenon.A novel time-frequency cross method was proposed to confirm the root causes and resolve the EMI issues.Based on the three electromagnetic compatibility（EMC）elements，the time-frequency cross method can confirm the exact location of the noise and its transfer path according to the hidden electric-magnetic field distribution.The EMI issue is resolved by suppressed the noise strength itself with the real case.

time-frequency cross method；electromagnetic compatibility（EMC）；electromagnetic interference（EMI）；near field probe

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.150

TM 154

A

黃敏超（1972-），男，通信作者，博士，高級工程師，主要從事電子產(chǎn)品的電磁兼容技術(shù)和可靠性設(shè)計(jì)的研究和解決方案，提供現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的技術(shù)服務(wù)，E-mail：mickey1972@189.cn。

黃敏超

2015-12-04