接收機供電系統(tǒng)EMC設計

毛志軍

（中國西南電子技術研究所 四川 成都610036）

接收機供電系統(tǒng)EMC設計

毛志軍

（中國西南電子技術研究所 四川 成都610036）

為了解決一種寬帶高靈敏度接收機供電系統(tǒng)的電磁干擾問題，文章基于DC/DC電源的EMI機理和EMI的解決措施進行分析，結(jié)合接收機分級供電的特點，并通過切斷干擾傳播途徑和提高設備抗干擾能力的方式進行EMC設計改進，使接收機的電磁兼容性滿足使用要求。

接收機；DC/DC電源；EMI機理；EMC設計

由于開關電源EMI[1]信號占有很寬的頻率范圍，又有一定強度，在小的空間及高頻電路中傳導和輻射，污染了周圍的電磁環(huán)境，影響電子設備的電磁兼容性，對此，寬帶高靈敏度接收設備是不能接受的。文中就DC/DC電源產(chǎn)生EMI機理[2]和EMI解決措施進行簡要的介紹，并提出了基于寬帶高靈敏度接收機的供配電系統(tǒng)的EMC設計的主要問題和解決辦法。

1 開關電源產(chǎn)生EMI機理及解決措施

1.1 開關電源EMI機理及產(chǎn)生原因

開關電源產(chǎn)生EMI的機理及主要原因包括：

1）開關管產(chǎn)生噪聲:不論開關電源是調(diào)頻式還是調(diào)寬式，開關管始終工作在開關狀態(tài)，在導通時流過較大的脈沖電流。輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量，從傅立葉級數(shù)[3]理論分析頻率可達數(shù)GHz。

2）高頻變壓器產(chǎn)生噪聲:由高頻變壓器初級，開關管，濾波電容構成的高頻開關電流回路及繞組漏感引起電流突變，都會產(chǎn)生尖峰干擾可能產(chǎn)生較大的空間輻射。

3）整流二極管反向恢復時間引起的噪聲:高頻整流回路中二極管因其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時，PN結(jié)中有較多的載流子積累，載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而產(chǎn)生很大的電流變化（di/dt）。

4）其他原因產(chǎn)生的干擾。

1.2 開關電源EMI傳播途徑

開關電源產(chǎn)生的尖峰和諧波干擾能量通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成干擾稱為傳導干擾，傳導干擾主要有差模和共模的兩種形式；諧波和寄生振蕩的能量通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產(chǎn)生電場，這種電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾，如圖1所示。

1.3 開關電源EMI的解決措施

形成電磁干擾的3大要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備[4]。因此，解決電磁干擾必須從這3個方面著手。

圖1 DC/DC干擾途徑示意圖

1）首先應該抑制或消除干擾源，選擇不易產(chǎn)生噪聲，不易傳導及輻射噪聲的零件，由于我們屬于二次集成故此技術取決于電源制造廠商水平。

2）其次采用EMI濾波器技術[5]、隔離技術、屏蔽技術切斷干擾源和受干擾設備之間的傳播途徑。

3）最后對內(nèi)部用電模塊二次穩(wěn)壓供電，同時隔離供電回路和對連接電纜及模塊采取屏蔽措施，提高受干擾設備抗干擾能力，降低對干擾信號的電磁敏感度[6]。

2 寬帶高靈敏度接收機供電系統(tǒng)的EMC設計

由于我們的設備使用的電源一般都屬于是二次集成，即在模塊的基礎上組合應用，故這里僅對切斷干擾傳播途徑和提高設備抗干擾能力兩點進行分析，同時結(jié)合寬帶高靈敏度接收機供電系統(tǒng)設計中遇到的電磁兼容問題進行總結(jié)。

2.1 電源干擾對中頻輸出噪聲基底的影響

寬帶高靈敏度接收機中頻輸出的頻譜噪聲基底偏高，且不平坦，不滿足系統(tǒng)噪聲基底平坦的要求。其頻段范圍內(nèi)噪聲基底全景圖如圖2所示。

圖2 噪聲基底全景圖

2.1.1 分 析

接收機出現(xiàn)噪聲基底偏高和不平坦的主要因素有：一種是接收機信道出現(xiàn)故障，信噪比發(fā)生變化；另一種是接收機輸出信號受到噪聲干擾，輸出信號噪聲基底被抬高。通過圖3我們可以看出，接收機在整個頻段范圍內(nèi)有部分噪聲基底滿足要求；同時，對接收機輸入?yún)⒖夹盘枩y試發(fā)現(xiàn)其工作正常，故懷疑接收單元信道噪聲基底受到外界干擾。

采取用直流穩(wěn)壓源單獨對接收單元加電測試，發(fā)現(xiàn)接收單元工作正常，初步判斷接收單元信道在整機上受到了電源噪聲的影響。

因此，首先對接收機電源單元輸出進行了測試，發(fā)現(xiàn)其紋波為50 mV，滿足指標要求；其次，對電源的輸出濾波電路進行了分析，低通濾波[7]電路如圖3所示。其主要由扼流圈L10與C10組成低通濾波電路，扼流圈L10的等效電感為L，以電源輸出端作為輸入，負載方向作為輸出。

圖3 低通濾波電路

由圖可見，以上LC網(wǎng)絡組成的低通濾波電路，可濾除ω0=1/L10C10以上的高次諧波，但對共模噪聲干擾的沒有抑制措施，圖1中提出的共模噪聲在這里不能進行有效的抑制或隔離，可能導致共模噪聲通過輻射和傳導兩種傳播途徑干擾接收單元信道。

2.1.2 措 施

1）對開關電源電路屏蔽和結(jié)構屏蔽的采取以下幾點措施

①由于雙絞線、同軸電纜都能有效地抑制電磁干擾。雙絞線絞合的圈數(shù)最好為偶數(shù)，且每單位波長所絞合的圈數(shù)愈多，消除耦合的效果愈好。使用同軸電纜時要注意，其屏蔽層必須完全包覆信號線接地，即接頭與電纜屏蔽層必須360°搭接，才能有效屏蔽電磁場。

②短距離的信號傳輸時，為了降低差模信號的電磁輻射可以采用帶狀電纜，這樣減小了信號線和信號回流線所形成的回路面積，因此，在設計帶狀電纜與插座布局時，最好將成對的信號線與接地線間隔排列。

③在選擇材料進行開關電源的盒體結(jié)構設計時，當干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導率的金屬材料；當干擾電磁場的頻率較低時，選用高磁導率的金屬材料；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，則采用高電導率和高磁導率的金屬材料組成多層屏蔽體。

④在設計開關電源盒體時，金屬板之間的搭接采用焊接，無法焊接時則使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料；盒體上的開孔孔徑要小于被屏蔽的電磁波波長的1/2，否則屏蔽效果將大大降低；如果盒體的屏蔽效能仍無法滿足要求時，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關電源整個盒體的屏蔽之外，還可以對電源單元內(nèi)部的元器件、部件等干擾源或敏感器件進行局部屏蔽。

通過上述幾點電路和結(jié)構屏蔽技術[8]的應用后，再次全景頻譜掃描發(fā)現(xiàn)接收機輸出噪聲基底如圖4所示，比對上次全景圖（圖2），發(fā)現(xiàn)采取一系列屏蔽措施后全景頻譜掃描時的干擾頻點有所減少。

圖4 采取屏蔽技術后的全景圖

雖然上述屏蔽技術減少了干擾頻點，但并未到達噪聲基底降低的結(jié)果，故繼續(xù)開展了以減小電源傳導干擾為中心的濾波措施。

2）共模和差模混合濾波措施

由于前面的分析表明，我們的電源濾波電路存在著無法濾除共模噪聲的缺陷，因此，這里對差模和共模干擾在共模電感中的特性進行了分析。對開關電源二根進線或出線而言，存在共模干擾和差模干擾，如圖5（a）及圖5（b）所示。

圖5 共模及差模干擾

在差模干擾信號作用下，干擾源產(chǎn)生的電流i，在磁芯中產(chǎn)生方向相反的磁通Φ，磁芯中等于沒有磁通，線圈電感幾乎為零。因此不能抑制差模干擾信號。

在共模干擾信號作用下，兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強的作用，每一線圈電感值為單獨存在時的兩倍。這種接法的電磁線圈對共模干擾有很強的抑制作用。因此，電路中在各組電源輸出與負載之間插入共模扼流圈，該扼流圈對電源高頻共模噪聲[9]的等效阻抗較高，因而可以得到希望的插入損耗。

為了其兼顧差模和共模濾波電路的特點我們將原來圖3中的差模和圖5（b）中共模扼流圈組合成如圖6所示的組合濾波電路。

圖6 組合濾波電路

L1、L2、C1可除去差模干擾。L1、L2為不易磁飽和的材料，C1可選陶瓷電容。選定C1及截止頻率fo，可根據(jù) L1=L2=1/[（2πf0）22C1]計算 L1及 L2。

L3、C2、C3可除去共模干擾，L3為共模扼流圈。選定 C=C2=C3及截止頻率 fo，則可根據(jù) L3=1/[（2πf0）2C]計算 L3。

通過采取的組合濾波技術，我們單獨測得電源單元在輸出紋波在滿足要求情況下，其固有噪聲包絡（頻率范圍XXXMHz～XXXMHz）電平由不加組合濾波前-70 dBm降至-110 dBm。此時，系統(tǒng)全景頻譜掃描接收機中頻輸出的噪聲基底也降低到-125 dBm，具體如圖7所示。

圖7 采取組合濾波技術后的全景圖

2.1.3 結(jié) 論

由圖7中的全景圖可以看出接收機中頻輸出噪聲基底偏高的主要原因是電源共模噪聲通過傳導的方式干擾輸出信號，將噪聲基地抬高。在采取了組合濾波措施后電源的差模和共模的寬帶噪聲干擾都得到了有效的抑制，系統(tǒng)全景掃描的頻譜噪聲基底達到了指標要求。

2.2 電源噪聲與輸出中頻信號相位噪聲的關系

接收機輸出中頻信號相位噪聲[10]有變化，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。多次測試發(fā)現(xiàn)相噪指標有波動，且不穩(wěn)定，故懷疑接收機某部件性能指標偏差，不穩(wěn)定引起。反復測試該現(xiàn)象可重復出現(xiàn)，說明為固有特性，只要改善該部份電路的性能，就可能排除現(xiàn)象。

2.2.1 分 析

經(jīng)過分析，認為對接收機中頻輸出信號相噪有影響的主要是接收機的幾個本振源，其中影響最大的是一、二本振信號的相位噪聲[11]。

用頻譜分析儀測量一本振和二本振信號的相位噪聲，測試結(jié)果如表1所示。

表1 改進前相位噪聲測試結(jié)果

由于接收機頻率源單元的一本振和二本振的環(huán)路濾波器的運算放大器的供電均是直接使用DC/DC電源輸出電壓供給，電源上的噪聲可通過運放供電疊加到VCO[12]的壓控端，形成寄生調(diào)相噪聲[13]，影響輸出本振信號相位噪聲。其機理分析如下：

圖8 存在噪聲時的環(huán)路相位模型

圖8為存在運放電源噪聲干擾時的鎖相環(huán)環(huán)路線性相位模型。

圖中：Kd為鑒相器的鑒相增益；F（p）為環(huán)路濾波器的傳輸算子；

K0為VCO 的壓控靈敏度；θi（t）為輸入信號相位；θo（t）為輸出信號相位；θe（t）鑒相器輸出誤差信號相位；n（t）為電源噪聲信號。由圖8可得②～③的傳遞函數(shù) Hn（s），即。

設噪聲信號 n（t）=Uncos（ωnt+θn）則 n（t）產(chǎn)生的寄生調(diào)相振幅為

一本振和二本振為二階鎖相環(huán)，有

ωn為環(huán)路自然諧振頻率即環(huán)路帶寬，ξ為阻尼系數(shù)。

由上式可見，當 x＞＞1 或 x＜＜1 時，|Hn（jω）|隨 x的增加或減小而減小，其最大值發(fā)生在x=1附近。所以，要想減小運放電源帶來的寄生調(diào)相噪聲，必須使環(huán)路的自然諧振頻率遠小于或遠大于電源的干擾噪聲頻率[14]。

由于接收機內(nèi)電源單元的DC/DC電源模塊的干擾噪聲具有寬帶特性，依靠調(diào)整鎖相環(huán)路參數(shù)無法完全慮除電源噪聲干擾。加之，VCO壓控靈敏度很高K0（400 MHz/V），噪聲在這里引入直接影響了本振信號的短穩(wěn)性能，即相位噪聲。

2.2.2 措 施

鑒于開關電源在前面采取的一系列屏蔽和濾波措施，其輸出紋波，噪聲基底已經(jīng)達到了一個很小的值，如果一味加強電源濾波其體積將大大增加，受體積重量限制，在濾波方案設計上進行了折中考慮。為獲得好的電源特性，經(jīng)分析比較，使用低壓差線性二次穩(wěn)壓可以得到良好的隔離濾波特性[15]。

采用低壓差線性穩(wěn)壓器，對頻率源單元的運算放大器的24 V供電就近進行二次穩(wěn)壓，穩(wěn)壓到+22 V后再供給運算放大器使用。因此，一、二本振VCO頻率調(diào)諧壓控范圍可以達到+2～+20 V，并能夠覆蓋全頻段工作范圍，而且經(jīng)過獨立二次穩(wěn)壓后的調(diào)諧電壓也更為穩(wěn)定，故本振信號相噪可以得到提高。用頻譜分析儀測量一本振和二本振的相位噪聲，測試結(jié)果如表2所示。

表2 改進后相位噪聲測試結(jié)果

2.2.3 結(jié) 論

通過表2測試結(jié)果表明，一、二本振的相位噪聲有明顯的改善，接收機輸出中頻信號相噪不再波動，滿足系統(tǒng)要求，二次穩(wěn)壓措施有效，充分證明了設備供電系統(tǒng)采用分級供電在電磁兼容方面所具有的優(yōu)勢。也為設備電磁兼容性從系統(tǒng)供電角度打開了新的設計思路。

3 結(jié)束語

文章基于DC/DC開關電源在寬帶高靈敏度接收機供電系統(tǒng)中帶來的電磁干擾進行了實例分析，總結(jié)了其在設備中的EMC設計方法。該設備供電系統(tǒng)具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高、輸出紋波小、電磁兼容性好的特點；其設計方法使寬帶高靈敏度接收機得電磁兼容性達到了同行業(yè)內(nèi)領先水平；這些方法對其它電子產(chǎn)品的EMC設計提供了一定參考價值。從電磁兼容設計角度來講，系統(tǒng)供電設計不僅是設備穩(wěn)定工作的重要保證，而且是設備EMC設計重點方向之一。

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EMC design of receiver power supply system

MAO Zhi-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In order to solve the problem of electromagnetic interference in a broadband high sensitivity receiver power supply system，this paper analyzes the EMI mechanism and the EMI solution based on the DC/DC power supply，according to the characteristics of power supply of the receiver，the EMC design is improved by cutting off the interference transmission way and improving the anti-interference ability of the equipment，so that the electromagnetic compatibility of the receiver meets the requirement.

receiver； DC/DC power； EMI mechanism； EMC design

TN86

B

1674－6236（2017）16-0166-05

2016-07-24稿件編號：201607171

毛志軍（1979—），男，四川廣漢人。研究方向：衛(wèi)星有效載荷、航天外測設備。