快速且具成本效益的常見EMC解決方案

理解EMC法規(guī)需要專業(yè)知識，OEM廠商可能很難確定新產(chǎn)品的合規(guī)性問題——在時間緊迫且預(yù)算緊張的情況下，能夠解決這類問題的OEM廠商更是少之又少。了解如何使用濾波器、屏蔽和扼流圈可以幫助尋求快速且具成本效益的解決方案。

序言：EMC挑戰(zhàn)加劇

電磁兼容性（EMC）法規(guī)旨在確保在家庭和工作場所中所使用的以及越來越多地貫穿于智能城市、運輸基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)聯(lián)汽車當(dāng)中的各種不同類型的電氣和電子設(shè)備在彼此靠近使用時可以共存。這種共存對于系統(tǒng)運行不會中斷其他設(shè)備或受到外部干擾的影響來說至關(guān)重要。

當(dāng)然，總體目標(biāo)是要防止電磁效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備或過程失效。這種失效帶來的后果可能包括諸如收不到社交媒體信息或計步器記錄不準(zhǔn)確等輕微不便，或是在起搏器控制器等醫(yī)療設(shè)備或汽車制動控制器或鐵路信號等安全系統(tǒng)發(fā)生中斷的情況下對生命或安全帶來的嚴(yán)重威脅。

干擾源和兼容性標(biāo)準(zhǔn)

常見的干擾信號源往往包括開關(guān)電源、開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器和單相或三相電動機(jī)及其相關(guān)的驅(qū)動器。通常，頻率高達(dá)30MHz的干擾會通過電纜和電流路徑傳導(dǎo)，或通過電感或電容機(jī)制在電纜之間耦合。

這些傳導(dǎo)發(fā)射可能會與同一設(shè)備內(nèi)的子系統(tǒng)相互干擾，或與附近的其他設(shè)備相干擾。高于30MHz的干擾信號通常會通過金屬部件、器件或電纜（充當(dāng)天線）向外輻射。這類寄生天線也可能會接收從另一個干擾源輻射的干擾信號。

由于干擾信號通過相同類型的信號路徑耦合，因此充當(dāng)強(qiáng)干擾源的設(shè)備可能同時對外部干擾存在抗擾度差的問題。

在歐洲，適用的法規(guī)是EMC指令2014/30/EU。該指令下的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)是雙重產(chǎn)品組，例如包含在家用電器和電動工具用EN 55014中的產(chǎn)品組及包含在電氣照明用EN 55015中的產(chǎn)品組。這些規(guī)范的范圍包括設(shè)備發(fā)射的電磁信號的強(qiáng)度以及對于來自外部干擾源的干擾的抗擾度。

新產(chǎn)品在歐盟國家銷售之前，必須經(jīng)過合規(guī)性測試。面向商業(yè)、工業(yè)或企業(yè)環(huán)境中使用而銷售的產(chǎn)品被歸類為A類，而面向住宅環(huán)境中使用的產(chǎn)品被歸類為B類。B類設(shè)備的法規(guī)往往更加嚴(yán)格。

表1概述了用于評估被測產(chǎn)品的發(fā)射和抗擾性能的測試類型。為了通過EMC法規(guī)，被測設(shè)備必須證明任何發(fā)射的信號強(qiáng)度都低于傳導(dǎo)和輻射頻率范圍內(nèi)的規(guī)定限值。此外，它們必須證明能對所述干擾信號和擾動達(dá)到指定強(qiáng)度的抗擾度。

表1.電磁發(fā)射和抗擾度的強(qiáng)制性產(chǎn)品測試。

EMC設(shè)計

確保電磁發(fā)射和抗擾度在規(guī)定的范圍內(nèi)，應(yīng)首先從電路板級向上采用最佳設(shè)計實踐，以便消除潛在的干擾信號路徑。其包括在IC的Vcc連接處進(jìn)行電源輸出濾波和適當(dāng)解耦，在多層pcb中仔細(xì)接地和正確放置地平面，以及避免可能充當(dāng)天線的長信號走線。

OEM廠商的產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊可能不熟悉2014/30/EU指令等文件中指定的規(guī)范和測試技術(shù)，并且可能無法從企業(yè)內(nèi)部面向EMC的專業(yè)設(shè)計的專長中受益。此外，就通過來自不同外部供應(yīng)商的集成模塊創(chuàng)建的產(chǎn)品而言，OEM廠商的工程師通常也無法掌控板級設(shè)計決策。

另一方面，設(shè)計團(tuán)隊可能會發(fā)現(xiàn)，雖然從外部供應(yīng)商處采購的功能模塊可能各自遵守EMC法規(guī)，但包括多個模塊在內(nèi)的OEM系統(tǒng)的總發(fā)射量可能會超過特定頻率下的規(guī)定限度。常見的例子包括LED照明系統(tǒng)等設(shè)備——盡管LED照明系統(tǒng)需要采用額外的系統(tǒng)級濾波來確保成品的合規(guī)性，但其可能包含多個驅(qū)動器，這些驅(qū)動器又具有各自符合EN 55015標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源（SMPS）模塊。

此外，如果某OEM系統(tǒng)已經(jīng)通過了測試和認(rèn)證，隨后對創(chuàng)建派生產(chǎn)品或下一代產(chǎn)品而做的設(shè)計更改可能會導(dǎo)致發(fā)射量增加，進(jìn)而導(dǎo)致新產(chǎn)品無法通過EMC測試。

設(shè)計團(tuán)隊有時也可能發(fā)現(xiàn)住宅和工業(yè)電氣設(shè)備允許的EMI信號強(qiáng)度之間存在差異。工業(yè)設(shè)備用規(guī)范可能在某些頻段允許傳導(dǎo)或輻射噪聲達(dá)到大約75dB或100dB-110dB，但面向住宅設(shè)備的相應(yīng)限制可能要嚴(yán)格10dB或者更多。如果是為暖通空調(diào)（HVAC）或家電產(chǎn)品選擇逆變器等模塊，記住這一點非常重要。

解決……并認(rèn)證

諸如基美電子（KEMET）等元器件制造商通常會提供研發(fā)資源來測試客戶的系統(tǒng)是否符合國際標(biāo)準(zhǔn)。這些部門會分析客戶產(chǎn)品的發(fā)射和敏感性，確定不合規(guī)的原因，并開發(fā)測試解決方案，或酌情推薦更基本的設(shè)計更改。

諸如添加濾波器或引入電纜屏蔽或鐵氧體扼流圈等成熟技術(shù)，可以彌補OEM客戶經(jīng)常在產(chǎn)品設(shè)計后期遇到的問題。其他方法可能包括金屬屏蔽，或以散裝薄片形式或以定制器件方式提供的柔性抑制材料。

市場上提供各種類型的EMC濾波器，它們分別針對單相或多相電機(jī)驅(qū)動器、光伏或風(fēng)力發(fā)電機(jī)、醫(yī)療應(yīng)用、照明或軍事等應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。這些濾波器還提供各種外形和安裝方式，例如饋通、底盤安裝或隔板安裝濾波器。除了應(yīng)用和安裝以外，進(jìn)一步的典型選擇標(biāo)準(zhǔn)包括尺寸和成本，以及是否符合適用于濾波器的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括IEC/EN 60939和UL 1283，以及CSA、cUL、MIL和德國VDE安全標(biāo)準(zhǔn)等。

圖1：基美電子的FLLD3600APVI1大電流三相EMI濾波器

補充案例

案例問題和解決方案1——電機(jī)/控制器應(yīng)用

圖2（a）顯示了電機(jī)/控制器組合的傳導(dǎo)噪聲如何在一個小范圍頻率內(nèi)超過規(guī)定極限，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的認(rèn)證測試失敗。該案例顯示了用于地?zé)釤岜玫娜嚯姍C(jī)驅(qū)動器的性能。通過識別干擾信號的幅度和受影響的頻率范圍，基美電子設(shè)計了一個高通濾波器，用來衰減0-4MHz范圍內(nèi)的較低頻率的干擾信號。圖2（b）說明了面向這一應(yīng)用設(shè)計的定制濾波器的作用——它確保了整個傳導(dǎo)頻率范圍內(nèi)的發(fā)射都低于EMC指令所規(guī)定的限值。

圖2（a）和2（b）：帶X電容的濾波器對熱泵驅(qū)動器發(fā)射的影響。

案例問題和解決方案2——三相磨床

工程師經(jīng)常遇到的時間、成本或尺寸限制可以幫助您集中尋找解決方案。某三相磨床包含一臺400V交流電動機(jī)，該電機(jī)由一臺通過電纜連接至電機(jī)的單獨逆變器進(jìn)行控制。該磨床經(jīng)過發(fā)現(xiàn)超過了4-10MHz頻率范圍內(nèi)的傳導(dǎo)發(fā)射的規(guī)定限值，如圖3（a）所示。

由于沒有時間更改設(shè)備的物理布局，或是為了顯著改變產(chǎn)品設(shè)計以包含更多的EMI濾波器，基美電子重新設(shè)計了逆變器和電機(jī)之間的布線，以便引入具有適當(dāng)接地的屏蔽電纜。如圖3（b）所示，這有效地將傳導(dǎo)發(fā)射的最大值減少到了大約55dB——明顯低于2014/30/EU指令所指定的60dB-73/80dB范圍。

圖3（a）和3（b）：使用屏蔽電纜盡可能減少傳導(dǎo)干擾的影響。

案例問題和解決方案3——電池備份系統(tǒng)

基美電子的EMC濾波器研發(fā)部門的另一位客戶最近要求幫助他們確保某臺醫(yī)療設(shè)備用電池備份系統(tǒng)能夠通過EMC測試。這個應(yīng)用需要為電池的往返提供較長電纜，并在電池管理電路和LED指示燈之間提供長電纜。經(jīng)過發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的DC/DC轉(zhuǎn)換器由于其陡峭的開關(guān)沿而成為了擾動產(chǎn)生的原因。這些擾動很容易被充當(dāng)天線的電纜所接收。圖4（a）顯示了電磁噪聲如何在大約57MHz的位置達(dá)到峰值——該峰值大于在該頻率范圍內(nèi)允許的40dB最大值，從而導(dǎo)致設(shè)備無法通過EMC認(rèn)證。

由于該OEM的產(chǎn)品推出迫在眉睫，他們需要快速提供解決方案。外形限制致使不可能對電纜長度進(jìn)行縮短。為了解決這些限制條件下的問題，該團(tuán)隊為電池和LED電纜添加了單匝共模電感器，使每根電纜各通過鐵氧體磁芯一次。這有效地將30-200MHz范圍內(nèi)的干擾信號從40-50dB衰減到了30dB以下，如圖4（b）所示。

鐵氧體磁芯提供的形狀和尺寸有很多，可用于各種直徑的圓形電纜或其他類型的電纜，如扁平柔性電纜或帶狀電纜。這樣便可以提供經(jīng)濟(jì)的解決方案來盡可能減少設(shè)計工作，這對于時間緊迫或在發(fā)現(xiàn)有EMC問題前已經(jīng)有某些部件被生產(chǎn)的情況來說特別有價值。

圖4（a）和4（b）：使用鐵氧體磁芯來應(yīng)對電纜的天線效應(yīng)。