电源系统设计EMC实验分析

电源系统设计实验分析

从广义上讲，EMC测试的具体项目包括以下两个大项：

（1）EMI（Electro-Magnetic Interference）—电磁干扰测试

此测试之目的为：检测电器产品所产生的电磁辐射对人体、公共电网以及其他正常工作之电器产品的影响。

（2）EMS（Electro-Magnetic Susceptibility）—电磁抗扰度测试

此测试之目的为：检测电器产品能否在电磁环境中稳定工作，不受影响。

再划分到小点，这两个大项的具体项目以及各自项目对应的常用测试标准如下：

其中EMI包括：

（1）辐射骚扰测试（RE）—测试标准：EN55022

（2）传导骚扰测试（CE）—测试标准：EN55022

（3）谐波电流测试（Harmonic）—测试标准：EN61000-3-2

（4）电压变化与闪烁测试（Flicker）—测试标准：EN61000-3-3

EMS包括：

（1）静电放电抗扰度测试（ESD）—测试标准：EN6100-4-2

（2）射频电磁场辐射抗扰度（RS）—测试标准：EN61000-4-3

（3）射频场感应的传导骚扰抗扰度（CS）—测试标准：EN61000-4-6

（4）电快速瞬变脉冲群抗扰度测试（EFT）—测试标准：EN61000-4-4

（5）浪涌（冲击）抗扰度（SURGE）—测试标准：EN61000-4-5

（6）电压暂降，短时中断和电压变化抗扰度测试（DIP）—测试标准：EN61000-4-11

（7）工频磁场抗扰度测试（PFMF）—测试标准：EN61000-4-8

在电路板上电后，若作为频率器件的晶振周边存在较强杂散电磁信号时，会直接导致晶振输出频率受到干扰，引发频率偏移，严重时影响电路板正常工作。因此晶振本身具备抗电磁干扰能力也是晶振品质的一个重要特性。另外，在电路板布线时需要注意：

1、晶振尽量靠近芯片，走线短且直。

2、晶振引出的两根时钟信号线也要短，防止形成发射天线。

3、尽量设计晶振位于远离电磁波干扰区域，如远离电源，天线等器件。

4、晶振下方不要走线，走线过程不能隔断，不要过孔换层。

5、屏蔽晶振，金属外壳检查接地。

电源系统ＥＭＣ优化实验简介

电源系统ＥＭＣ优化实验系统如下图３．１１所示。其中①处为供电电源，实验中分别采用线性电源和开关电源为单片机芯片和１０Ｍ有源晶振进行供电。②处为有源晶振，其外观如下图３．１２（ａ）所示，引脚图如下图３．１２（ｂ）所示。③处是８０Ｃ５２单片机，也是本实验中的核也器件。④处是单片机驱动的芯片或器件。本实验中为了便于观察现象，选择单片机的负载为走段数码管。实验将分析在为采取任何措施时，该系统的抗干扰能力和辐射射发射水平及在加入电源系统ＥＭＣ优化措施后的改善情况。

电源系统抗干扰优化实验

对于线性电源系统，当电源入口端Ｗ及ＰＣＢ上电源系统未针对浪涌、ＥＦＴ及电压跌落做任何措施时，在进行浪涌差模±２０００V，共模±１０００V浪涌测试时，数码管无法正常显示，单片机失效。当进行ＥＦＴ的±２０００Ｆ测试时，数码管闪烁现象严重，但单片机未失灵。最后在进行电压跌落试验时同样也会出现数码管短时熄灭现象。

对于开关电源系统，当电源入口端上电源系统未针对浪涌、ＥＦＴ电压跌落做任何措施时，在进行浪涌差模±２０００V，共模±１０００V浪涌测试时，数码管显示闪烁，但单片机未失效。当进行ＥＦＴ的±２０００V测试时，数码管也存在闪烁现象，单片机未失灵。而在进行电压跌落试验时未出现闪烁现象。

根据上述实验现象可总结出：在针对未进行ＥＭＣ优化设计的电源系统进行抗扰度试验时，线性电源系统的抗扰度比开关电源能为差。特别是在电压跌落抗扰度上，开关电源对电源电压的变化不敏感，而在使用线性电源时会导致数码管显示忽明忽灭。

但是对于浪涌和ＥＦＴ抗扰度，开关电源和线性电源系统，在未进行ＥＭＣ优化设计时都会导致电路无法正常工作。针对Ｗ上抗扰度测试结果，分别对线性电源和开关电源系统进行抗扰度ＥＭＣ优化设计后再观察测试结果。由于实验系统结构比较简单，器件相对较少，因而针对抗扰度设计要求不高。

故在整改时主要在电源线上安装电源线ＥＭＩ滤波器和压敏电阻并且在单片机、驱动芯片和数码管电源端并０．１UＦ的去藕电容。另外针对线性电源电压跌落抗扰度不满足要求的情况，主要应对措施是在单片机和驱动芯片管脚电源管脚对参考地加并的4.7UF钽电解电容及在数码管电源管脚对参考地加并１０UＦ的钽电解电容做储能电容使用即有较好的抑制效果。

电源系统辐射发射优化实验

首先实验在未针对芯片的电源管脚做任何处理时，用示波器测量了单片机的电源管脚的时域波形图如下图３．１３所示。图中波形的有效值达到１．４Ｖ，边缘毛刺的峰值达到１．８Ｖ且波形频率同晶振频率，故该电源系统中存在较为严重的高频纹波。这种高频纹波会借助电源线的天线效应对外产生严重的辐射ＥＭＩ噪声。

在对于单片机系统ＲＥ的整改措施主要有如下几点：

其一是在电源线上加磁环并将滤波器金属外壳和开关电源的金属外壳用最短的导线相连并接地。

其二是在单片机、驱动芯片及数码管电源端增加０．１uＦ去藕电容和１uf的贴片型钽电容。

最后将有源晶振底部设计大面积参考地并将晶振金属外壳用铜泡与参考地相连。

根据辐射发射的测试结果，在未进行整改时天线垂直和水平极化的测试结果分别如下图可看出在１０Ｍ的倍频上有多个单频点超过标准的限值。而经过整改后测试频谱如下图所示，通过对比发现各个频点整体辐射都有了５-１０ｄＢuＶ／ｍ的下降，故证明电源系统的ＥＭＣ设计将有助于设备辐射发射的改善。本实验电路最终要通过福射发射测试还需要对芯片信号输出引脚进行滤波处理，但本文主要针对电源系统设计对福射发射的影响的研究，故对信号滤波部分不作赘述。

案例一：高频电刀整改

某款高频电刀如下图４．１所示，电刀外壳主要由金属材质构成，两侧和前面板周围为塑料材质。前面板主要为液晶触控板和功率输出端口，后背板主要有控制线缆、RＳ２３２通信线缆及电源线和风扇口等。内部结构图在整改前如下图４．１（ｂ）所示，主要由电源模块、高频电流发射模块、主控制板模块和触控显示屏等构成。

高频电刀整改过程

辐射超标整改的关键在于定位到主要的噪声源，然后有针对性地进行处理。

1、辐射源定位：

定位思想：分开各个模块定位，分高低频。

由于该设备中系统各个功能模块间是单独供电的，故在辐射源定位时可将每个模块分别供电观察ＲＥ测试结果，进而能预判各个频段的辐射主要是由哪个模块引起的。分析中我们发现，当将显示板电源断开后高频噪声几乎消失，则可判断富频处辐射超标主要是由液晶显示器引起。此外还发现当断开主控制ＰＣＢ断开电源后，低频段的宽带噪声也有下降，故可判断低频段的宽带噪声主要是由主控制板引起。

2、重点定位：

RE测试分天线、水平进行测试

由于该款电刀在ＲＥ测试过程中天线垂直极化方向超标较严重，故先以天线垂直极化时整改为重点，这样有助于节省整改中的测试时间提高整改的效率。此外，整改中的每个措施都需要进行前后的频谱对比，再决定该措施是否保留。同样在完成产品ＲＥ整改后可将一些磁环去除并观察效果，如何去除后并无明显影响，则可去除从而降低成本。

整改中首先是针对产品的电源系统入口端Ｗ及外部线缆进行处理，主要措施如下图所示。分别在电源线和控制线缆上加磁环（磁导率u＝８５０）并和初始结果进行对比发现有较好的抑制效果，故保留该措施。接着还发现设备电源线ＥＭＩ滤波器的接地线较长且与机壳间搭接不良，搭接阻抗较高，故将接地线剪短到合适的长度并且将滤波器的外壳和金属后板使用导电衬垫进行良好搭接后再进行测试，测试结果如下

接着对设备内部电源系统进行分析，分析发现主控ＰＣＢ板的供电线路是从射频板引出的且还有数根信号采集线一同引出。考虑到排线上可能藕合进ＥＭＩ噪声，故需要对其处理。主要处理措施如下图所示。首先在金属屏蔽箱体内部，在排线上夹套铁氧体磁环（磁导率＝８５０），接着用铜箱将排线引出的机箱的周围的缝隙密封，保证金属机箱导电完整性。处理后辐射发射测试结果如下图所示，频谱的低频段宽带噪声有较明显下降

主控ＰＣＢ板上ＤＣ／ＤＣ模块将１８Ｖ输入后转变成５Ｖ和±１２Ｖ三种直流输出电压。其中５Ｖ电压是给主控制板上的各忘片进行供电，＋１２Ｖ是给液晶屏供电，而－１２Ｖ处于空置。由上述分析低频段辐射发射超标严重与主控制板关系密切，故判断可能是DＣ／ＤＣ模块滤波电路设计不够完善引起。故在ＤＣ／ＤＣ入口端加并上Ｃ1（０．１UＦ）陶瓷电容进行去藕处理并且将空置端－１２Ｖ通过Ｃ２（０．０１uＦ）陶瓷电容接参考地。鉴于主控制板上有大量高速集成粒片，因而５Ｖ输出加并C3(10UF)的钽电容及Ｃ４（０．０４７uf）的陶瓷电容。测试结果如下图４．６（ｂ）所示，测试频谱的低频段和高频段都有所下降。

接着重点针对液晶显示器电源进行处理。首先在ＤＣ／ＤＣ的＋１２Ｖ输出的直流电输出端也并上Ｃ４（0.04uＦ），并且在靠近液晶屏的电源口处并上Ｃ6（２２uＦ）的钽电容和Ｃ７（２２ｎＦ和C8（1nF）的陶瓷电容，用于滤除高频福射发射。此外，液晶屏的电源、信号线也可能充当福射发射的等效天线且信号线和电源线之间可能发生串扰现象。

故在整改时处理措施如下图４．７（ａ），将电源线和信号线分开并分别在液晶屏的出线端加磁环处理（磁导率＝８５０），测试结果如４．７脚所示。根据测试频谱，箱射ＥＭＩ噪声整体都得到有效地抑制，但是低频段和高频段还有部分点处于临界状态，需进一步分析处理

分析液晶屏及其周围的机箱结构发现，射频板外部的金属屏蔽体底部留出了很长的缝隙，属于金属屏蔽体搭接不当。在这种情况下，液晶屏及其传输线上的福射ＥＭＩ噪声很可能通过该缝隙形成的等效天线对外产生进一步的福射发射。因此，可将液晶屏背面安装一块金属面板如下图所示，用于将液晶屏的福射ＥＭＩ噪声通过接地地金属板反射或感应产生电流引入地线。经过测试，该款电刀最终通过ＲＥ测试，测试频谱如下图所示。同时福射在天线水平极化方向上也通过。

有关ＥＭＣ设计

（１）对于使巧液晶显示器的医疗电子产品，由于显示屏部分常常是潜在的福射源，所以在对其供电、信号走线化及周围结构设计时要特别注意。供电线路要尽量短且应将信号线和电源线、分隔开防止线瓣线缆之间发生串扰，并且宜在液晶屏背面加接地金属平面，有助于降低辖射ＥＭＩ噪声。

（２）产品在设计屏蔽机箱时，要尽量保证机箱屏蔽体的导电完整性，避免有细长的缝隙。此外还要尽量避免从屏蔽机箱中引出线缆，如果有引出的电源线或者信号线要进行必要的滤波处理，否则很容易在线缆上稱合高频噪声，引起福射ＥＭＩ问题。

（３）对于ＰＣＢ上使用的ＤＣ／ＤＣ模块要做好滤波处理，利用电容和电感构成的ＬＣ滤波器将ＤＣ／ＤＣ产生的高频噪声反射回噪声源或将噪声转化成热能散发。如果电源芯片有不使用的输出管脚不应将其空置，最好通过合适参数的电容接到ＧＮＤ端。

某款医疗蠕动泵整改

设备简介及初始测试结果该款蠕动累的外观如下图４．９所示，其前后面板为金属表面做喷漆处理，上盖板为塑料材质。正面中心、部分为步进电机凸出部分，用于带动液体蠕动。而背板主要有电源线和民Ｓ２３２通信接口等。累的内部如下图４．１０所示，主要有开关电源、步进电机驱动板及通信和显示控制板。蠕动累的基本工作原理是通过ＲＳ２３２接曰接收外部控制信号来控制步进电机转动带动输液管道中的液体流动。

下图分别是天线在垂直和水平极化时的ＲＥ初始测试结果。从测试频谱中可看出，该产品两个极化方向上在４０Ｍ-１００Ｍ间都存在宽带福射ＥＭＩ噪声超出标准规定的限值，并且垂直极化时福射发射超出限制最高达到１５ｄBuV/m

观察ＲＥ测试频谱发现低频段天线垂直极化时较水平极化更严重，故优先处理天线垂直极化时的情况。根据经验低频端超标常与电源系统设计不合理有密切的关系，可能是由于开关电源自身的噪声通过电源线对外产生福射ＥＭＩ噪声。通过在电源线卡铁氧体磁环（磁导率＝１０００）并将开关电源的地柱如下图所示与电源线滤波器的接地柱上的绝缘漆用挫刀打磨掉后，ＲＥ测试结果如下图

接在在通信线入口卡上铁氧体磁环（磁导率＝１０００）并和将ＲＳ２３２接曰使用导电衬垫进斤良好的接地处理后，ＲＥ测试结果如下图４．１３肋所示有了进一步改善。

在经过上述外部线缆处理后，发现低频段宽带噪声还是偏高，判断噪声可能来自开关电源的开关管。如下图所示就是常规开关电源的开关管，其Ｇ极接受来自ＰＷＭ控制电路发出的脉宽调制信号。如Ｓ极接地不良，调制信号容易通过开关管的寄生电容进入Ｓ极中并在接地阻抗上产生压降，从而形成共模发射的福射噪声源，导致设备的福射发射超标。

因而针对开关管进行了处理，具体措施如下图在开关管的Ｓ极和Ｇ极间并上一个高压电容瓷片Ｃｌ（０．０２２uＦ）。最终产品的ＲＥ测试结果如下图满足了标准的限值要求。同时天线水平极化下也满足。

该款医巧蠕动累的金属外壳做了喷緣处理，因此在接地时要格外注意接地处是否也做了喷瀑处理。此外累福射ＥＭＩ噪声主要是低频段宽带噪声，故要注重开关电源的处理。

（１）当设备的机壳喷涂绝缘炼时，在进行金属机壳接地、开关电源接地Ｗ及一些接口外壳接地时要注意将搭接处的绝缘漆用挫刀打磨干净并通过金属垫片或导电衬垫材稱进行搭接，最后还要用万用表电阻档测量搭接电阻。

（２）当设备内使用电化时宜在电动机电源处并一定容量的电解电容，为电动机提供局部电源从而减小电源线上的脉动电流。

（３）ＲＥ测试时如果发现频谱低频段有较高的宽带噪声，根据经验可判断可能是开关电源模块引起的共模辐射ＥＭＩ噪声。具体处理措施有改善开关电源接地、对电源模块输入输出进行滤波处理或者对开关管进行处理等

某款骨治疗仪整改

设备简介及初始测试结果

某款骨伤治巧仪如下图所示，其整体为塑料材质，控制面板上主要有控制按键和显示数码管等。产品的工作原理是通过按键设定工作强度和时间，使得产品内部控制电路控制继电器的通断使得电磁铁如图所示一定频率震动从而缓解患者胥骼疼痛而达到康复治疗的目的。产品的背板主要有电源线和保险丝等。

该治疗仪内部结构如下图４．１７所示，产品使用线性电源作为供电系统，其变压器将２２０Ｖ交流电转换成１８Ｖ和９Ｖ的交流电，接着由ＰＣＢ上的整流和稳压模块将交流电转换成１５Ｖ直流电给电磁铁供电和５Ｖ直流电给ＰＣＢ上的各个苍片供电。由于ＰＣＢ电路板中含有继电器和较多的控制芯片并且在设计时没有考虑ＥＭＣ问题，从而导致其ＲＥ测试未能通过。

再分析测试频谱上窄带噪声，发现两个超频频点与ＰＣＢ控制板中的晶振存在倍频的关系，所Ｗ要针对控制板的晶振和单片机芯片进行整改处理。如图４．１７主控制板上的四个单片机芯片可能就是窄带噪声产生的噪声源，其主要产生的原因有3个。

其一是单片机晶振与起振电容不匹配，导致晶振输出波形失真产生噪声。

其二是单片机芯片供电电源的去藕电路设计不当。在本产品只用一个的瓷片电容并不能满足电源去错的要求从而导致电源线上产生纹波噪声。

最后是单片机芯片某管脚走线过长并缺少必要的滤波电路导致福射发射超标。综上分析对毎个单片机做如下处理。首先更换晶振的起振电容，将原来１５ｐＦ瓷片电容Ｃｌ和Ｃ２换成２２pＦ的０６０３贴片电容（所以说晶振电容的值可以根据emi调整），

接着在单片机芯片并粗电容Ｃ３（２．２uＦ）和陶瓷电容Ｃ４（０．０１uＦ）。整改后测试频谱图如下４．２０（ｂ）所示，最终通过测试。

设计建议

该款产品在设计中存在很多不足之处，就ＥＭＣ角度分析电源系统的设计可Ｗ看出，在没有电源线ＥＭＩ滤波器情况下，将电源的整流和滤波电路设计在ＰＣＢ板上与电源入口端相距最远的角落，这段过长电源线容易锅合高频噪声并通过电源线对外产生福射ＥＭＩ噪声。此外还未针对继电器控制电路做好有效处理。

（１）当处理器芯片使用晶振电路提供时钟信号时，若根据测试频谱结果，发现有晶振倍频的窄带噪声，则可用示波器观察晶振电路的输出波形是否失真，并根据实际情况调整起振电容的容值。

（２）线性电源或开关电源系统中的输出电源线要尽量通过最短的距离连接到ＰＣＢ，距离过长的电源线易藕合电磁噪声并且也会成为福射发射的寄生天线。

（３）当设备中使用继电器时要注意设计保护电路和滤波电路，保证其自身正常工作并防止其产生的干扰进入电源系统后影响其他器件的正常工作。

某款自动气压止血带整改

设备间介及初始测试结果

本例中介绍某款自动气压止血带福射整改。下图为该产品的外部结构，其外壳是塑料材质，前面板表面主要由按键、湿示数码管和气体输出管道等组成，并且在前面板后是一块金属板用于固定面板上的各个器件。产品的背面主要有单相两线制的电源线接口和保险丝等，产品在使用时固定在一根金属支架上。

气压止血带整改

首先是针对产品的电源入曰端处理。下图４．２３脚是产品电源系统入口在整改前的结构示意图。分析该产品工作时是固定在一个支架上工作的，且我们发现这个金属支架和开关电源外壳、滤波器外壳Ｗ及电动机的外壳等都用金属螺丝固定在同一个金属板上。

由此怀疑金属支架可能间接充当了辖射发射的等效天线，故要对其进行处理。主要的整改措施是将支架金属部分与内部金属板进行绝缘化处理，避免两者之间有金属连接。具体做法是将用于固定的螺丝部分包裹绝缘胶布并将金属垫片换成塑料垫片，最后用万用表测试两者间己经不存在电气连接。

接着再分析电源系统入曰端结构图４．２３（ａ）可看出电源ＥＭＩ滤波器与电源进线端口相距较远且其输入、输出端口相距较近，送样容易发生福射近场耦合从而严重影响滤波器的效果。另外图４．２３（ｂ）是产品电源端内部实物图，可看出内部线缆布局比较杂乱且长度过长，这可能间接地将线缆作为福射发射的等效天线而旦线缆之间的串扰也会比较严重。

此外电动机、开关电源、蓄电池和ＥＭＩ滤波器的金属外壳同时接在同一个金属板上，由于当系统采用单相两线制没有地线，这时将各个模块接到同一个参考点可能相互间造成更严重的干扰。针对以上设计中的不足之处，对产品做如下整改。首先长线缆剪短到合适的长度，接着将电源线ＥＭＩ滤波器放置电源线进线端并将输入、输出线之间隔开。最后将与金属板搭接处均使用绝缘垫片，处理后的效果如图所示。

设计建议

在ＥＭＣ设计时优先处理结构，保证设备的基本结构不会引入ＥＭＣ问题。接着再在考虑使用一些器件和滤波电路等，这样能够尽量降低产品的生产成本。本例中在设备电源系统设计是要注意结构设计上的合理性。

（１）电源线ＥＭＩ滤波器在安装时要尽量靠在电源线的进行端口，且一定要避免

输入输出线前后的距离，避免从空间产生福射的縄合，影响滤波器的滤波效果。且当设备是单相两线制时要考虑滤波器的外壳能否与开关电源外壳等之间金属连接，但是一般效果不好，且容易相互之间产生干犹。

（２）要尽量将避免长直金属或带有较大孔缝的金属面板同ＰＣＢ的参考地或电源

地之间存在金属搭接。如有类似搭接时，我们要考虑如何将其进巧绝缘处理或使用导电衬垫将孔和缝隙封闭住。

（３）当设备有金属支架时一定要防止支架在无意中被充当福射发射的等效天线，故要尽量避免其与内部电路存在任何的金属连接。

（４）对于晶振一类的干扰源，最好在其周围大面积敷铜并保证良好接地，且更应该避免有信号线缆从晶振周围穿过。

审核编辑：刘清