某控制組合電磁發(fā)射超標分析及解決方案

侯燕春 張 倩 石彥超 楊 雪 陳思陽

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

1 引 言

傳導發(fā)射(CE)和輻射發(fā)射(RE)測試，是電磁兼容測試中主要測試項目中的兩類。在測試中，CE、RE發(fā)射值超過標準要求限值的現(xiàn)象較為普遍。隨著電子技術及產(chǎn)品功能的提升，電磁兼容標準日臻完善[1]，電磁發(fā)射指標限值要求也正逐步成為電子設備及電氣系統(tǒng)必須滿足的性能指標和強制要求[2,3]。

本文嘗試探討電源線傳導發(fā)射、設備輻射發(fā)射超標原因，梳理常見的發(fā)射超標加固方法。以某控制組合為例，制定排查方案，定位主要發(fā)射部位，提出加固措施并驗證，方法有效，為其他電子設備提升電磁兼容性，通過發(fā)射類測試，提供參考。

2 發(fā)射超標原因

以電源線傳導發(fā)射(CE)為例，分析超標主要原因。目前交流供電設備普遍采用開關電源，直流供電設備采用逆變器或其他變流器。開關電源中的開關電路主要由開關管和高頻變壓器組成，它產(chǎn)生的尖峰電壓有較大幅度的窄脈沖，頻譜較寬且諧波豐富[4,5]。如果EMC設計不當，干擾可以通過近場輻射或者耦合的方式，傳輸?shù)诫娫淳€，再傳輸?shù)絃ISN上，被接收機獲取，造成電源線傳導發(fā)射超標。

設備輻射發(fā)射(RE)超標的主要原因有，電源線輻射發(fā)射、信號線輻射發(fā)射、機箱泄漏或線路板的輻射發(fā)射。以電源線的輻射發(fā)射為例，開關電源產(chǎn)生的干擾信號，除被接收機接收到以外，干擾信號還可能沿著電源線，加之電場或磁場耦合感染上其他電路的干擾信號向外傳輸，由線纜輻射，被接收天線獲取，造成輻射發(fā)射超標[6]。

3 超標診斷及定位方法

3.1 診斷方法和定位

對電源線傳導發(fā)射，觀察干擾波形，可通過LISN的信號端連接示波器測試。對輻射發(fā)射，可通過直接插拔外接電纜，判斷輻射發(fā)射來源。當不能插拔外接電纜時，可使用近場探頭、射頻放大器、頻譜儀方法[7]，測試線纜、孔縫的泄露，查找主要發(fā)射來源?？卓p泄露多為磁場輻射，頻率相對低，可使用磁場探頭查找，還可使用電流鉗測試電纜或電纜束上的共模電流，共模電流越大，對外輻射的能力越強。

針對輻射發(fā)射，根據(jù)頻譜信息確定超標頻率，分析由被測電路哪部分發(fā)出。超標頻率可能不是電路工作主頻，而是倍頻、諧波或雜波信號。根據(jù)近場探頭測試結果，判斷主要發(fā)射部位，對應采取措施。

3.2 常用加固方法

電源線傳導發(fā)射超標的加固方法有電源端口加濾波器[8]，改善開關電源的設計和使用屏蔽接地電源線等。對開關電源引起的電源線傳導發(fā)射超標，可在電源輸入端口添加濾波器。濾波器應正確安裝[9]，最有效的安裝位置是在機殼的進線口上。試驗證明，添加適當?shù)臑V波器，可有效解決電源線傳導發(fā)射超標。同時，添加濾波器對改善電源線的輻射發(fā)射，也有幫助。

輻射發(fā)射超標的加固方法有減小金屬機箱孔縫，采用屏蔽電纜和連接器，連接器360度環(huán)接，電纜、電路板輸入輸出端口添加濾波和去耦電路，電纜添加鐵氧體磁環(huán)等[10]。采取加固方法時，可逐一采取并驗證。為滿足標準發(fā)射限值要求，通常同時使用多種加固方法。

4 某控制組合加固方法

4.1 干擾定位

被測件為控制組合，供電電壓DC 28V，工作電流10A，連接8根電纜，分別為供電電纜、備份電纜、通信光纖及網(wǎng)線。被測件電源線傳導發(fā)射、輻射發(fā)射均超標。電源線傳導發(fā)射測試結果如圖1所示。

圖1 電源正線傳導發(fā)射限值及測試數(shù)據(jù)的幅頻曲線圖Fig.1 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line

根據(jù)實際試驗條件，結合輻射發(fā)射加固會改善電源線傳導發(fā)射的經(jīng)驗，對被測件電纜、機箱內部板卡、機箱輻射發(fā)射進行測試。查找主要輻射發(fā)射信號，確定干擾來源，相應采取加固措施并驗證，以達到發(fā)射滿足標準要求的目的。

測試中，采用電流鉗、近場探頭，連接射頻放大器、頻譜儀的測試系統(tǒng)，完成干擾源定位的定性測試。

首先開展機箱連接的線纜輻射發(fā)射測試。

1)將電流鉗卡在被測件連接的電纜根部，依次測試，結果顯示每根電纜對外輻射波形相似，其中電源線發(fā)射最大，如圖2所示。在測試頻段內，頻譜儀顯示最大發(fā)射約70dBμV；

圖2 電源線輻射特性曲線圖Fig.2 Radiated emission of power line

2)將電流鉗卡在電源線上，依次斷開被測件連接的電纜，觀察電纜對電源線發(fā)射的影響。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，備份電纜對電源線發(fā)射影響明顯。當斷開備份電纜時，電源線最大發(fā)射降低優(yōu)于20dB，且干擾波形發(fā)生變化，如圖3所示。經(jīng)確認，該電纜為測試用非屏蔽電纜；

圖3 斷開備份電纜，電源線輻射發(fā)射測試曲線圖Fig.3 Radiated emission of power line when the back-up cable was disconnected

3)使用近場探頭測試控制組合機箱內基帶、電源、寬帶板卡對外輻射發(fā)射特性。打開機箱前面板，在各板卡側面及邊緣，使用探頭測試干擾波形。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，各板卡測得的干擾波形趨勢均與圖2相似；

4)對機箱前面板、側面板及孔縫處發(fā)射測試，如圖4所示。在測試頻段內，發(fā)射頻點與電源線輻射特性(圖2)相似，頻譜儀顯示最大發(fā)射約65dBμV。

圖4 機箱側面板測試曲線圖Fig.4 Radiated emission of the side face of shell

為進一步判斷干擾來源，將機箱內各板卡取掉，僅留電源板測試。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，電源板輻射發(fā)射波形表現(xiàn)為點頻及其倍頻發(fā)射，如圖5所示，波形與電源線輻射發(fā)射干擾波形的發(fā)射頻點、倍頻特性(圖2)吻合，均以約0.25MHz為間隔發(fā)射。

圖5 僅電源板對外輻射曲線圖Fig.5 Radiated emission of the power panel only

電源板上共有工作在不同頻點的8個電源模塊，由機箱前面板3個開關按鍵控制電源模塊工作。機箱內僅留電源板，觀察機箱開關的開、關對電源板輻射的影響。依次按下開關1～3，測試波形如圖6至圖8所示。當最后接通開關3時，為全部電源模塊均工作的狀態(tài)。

圖6 僅開關1接通曲線圖Fig.6 Radiated emission of the switch 1 on only

圖7 再接通開關2曲線圖Fig.7 Radiated emission of the switch 1 and switch 2 on

圖8 再按下開關3曲線圖Fig.8 Radiated emission of three switches on

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，接通開關1，發(fā)射頻點以0.25MHz為間隔(圖6)；再接通開關2，在已有發(fā)射頻點附近新增一發(fā)射頻點(圖7)；再接通開關3，再次新增一發(fā)射頻點(圖8)。此時發(fā)射波形與電源線輻射特性測試(圖2)相似。

通過上述測試，發(fā)現(xiàn)：

1)電纜、板卡、電源板及機箱面板的輻射測試曲線，發(fā)射頻點相似；

2)屏蔽不連續(xù)的備份電纜對電源線發(fā)射影響明顯；

3)電源板、電源線為干擾發(fā)射主要來源，其中電源板上的電源模塊為干擾信號主要產(chǎn)生部位。

4.2 加固驗證

1)在備份電纜上添加鐵氧體磁環(huán)，觀察備份電纜輻射變化情況，如圖9和圖10所示。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：添加鐵氧體磁環(huán)后，備份電纜最大發(fā)射降低優(yōu)于10dB，該方法對改善備份電纜輻射發(fā)射有效。

圖9 未添加鐵氧體磁環(huán)前，備份電纜輻射發(fā)射曲線圖Fig.9 Radiated emission of back-up cable before adding the ferrite magnet ring

圖10 添加鐵氧體磁環(huán)后，備份電纜輻射發(fā)射曲線圖Fig.10 Radiated emission of back-up cable after adding the ferrite magnet ring

進一步，將控制組合電源線包裹屏蔽層，其他電纜均用防波套包裹，接插件處用銅箔包裹，機箱孔縫處粘貼銅箔屏蔽；

2)在電源線處添加殼體接地良好的濾波器，濾波器輸入輸出線包屏蔽層，將電源板上的每個電源模塊的輸入、輸出端均添加0.1μF電容，就近接地。

采取上述措施后，進行電源線傳導、輻射發(fā)射測試，結果如圖11和圖12所示。

綜上所述，采取本文設計的加固措施后，控制組合能夠通過電源線傳導和設備輻射發(fā)射測試。

圖11 加固后電源正線傳導發(fā)射限值及測試數(shù)據(jù)的幅頻曲線圖Fig.11 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line after modification

圖12 加固后(2～30)MHz輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)的幅頻曲線圖Fig.12 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for (2～30)MHz radiated emission after modification

5 結束語

在電子設備研制過程中，抗干擾設計和措施可在設備設計之初完成，能有效避免后續(xù)測試階段電磁干擾問題。經(jīng)上述分析與加固梳理，初步發(fā)現(xiàn)：電源輸入端連接適當?shù)臑V波電路(濾波器)且濾波器封裝、接地良好情況下，能有效改善傳導發(fā)射；線纜、接插件及孔縫良好屏蔽，能有效改善輻射發(fā)射。

在排查確認發(fā)射干擾源、驗證加固措施有效性時，可采取逐一斷電纜、逐一斷板卡、電源模塊分步加電的方法，判斷干擾信號特性和確定干擾源；應用加固措施時，可使用首先采取一種加固措施并驗證，繼而在該措施基礎上，逐一添加加固措施并驗證的方法。本文所述排查方法和加固措施，可為其他電子設備電磁兼容性設計和通過測試提供借鑒。